Vanadiumdioxidens unika egenskaper innebär att den kan ersätta grundämnet kiseln och ge upphov till en ny generation av elektroniska enheter med låg spännkraft. En grupp ingenjörer har visat hur denna förening kan användas för att skapa programmerbara radiofrekventa elektroniska funktioner för rymdkommunikationssystem. Andra applikationer, i form av neuromorf databehandling och artificiell intelligens, drar också nytta av denna upptäckt.
Först kom strömbrytaren. Sedan transistorn. Nu står en annan innovation i tur att revolutionera metoden med vars hjälp vi styr strömmen av elektroner genom kretsen: vanadin dioxid (VO2).
En viktig egenskap hos denna förening är att den uppträder som en isolator vid rumstemperatur men som en ledare vid temperaturer över 68° C. Detta beteende - även känt som övergång för metallisolator, studeras i EU:s ambitiösa Horizon 2020-projekt, som kallas fasbyte. EPFL valdes för att samordna projektet efter en noggrann urvalsprocess.
Projektet, som kommer att pågå fram till 2020, har beviljats 3,9 miljoner euro av EU-finansiering. På grund av det stora utbudet av potentiella applikationer som kan komma ifrån denna nya teknik har projektet dragit upp två stora företag - Thales of France och den schweiziska grenen av IBM Research - liksom andra universitet, inklusive Max-Planck- Gesellschaft i Tyskland och Cambridge University i Storbritannien. Gesellschaft für Angewandte Mikro- und Optoelektronik (AMO GmbH), en spin-off av Aachenuniversitetet i Tyskland, deltar också i forskningen.
Forskare har länge känt VO2: s elektroniska egenskaper men har inte kunnat förklara dem förrän nu. Det visar sig att dess atomstruktur förändras när temperaturen stiger. Övergången från en kristallin struktur vid rumstemperatur till en metallisk sker vid temperaturer över 68° C. Och denna övergång sker på mindre än en nanosekund, en verklig fördel för elektronikapplikationer.
- VO2 är också känslig för andra faktorer som har förmågan att byta stadier, t.ex. genom att injicera elektrisk kraft, optiskt eller genom att applicera en THz-strålningspuls, säger Adrian Ionescu, professor i EPFL och chef för skolans laboratorium för nanoelektroniska enheter (Nanolab ).
Ionescu fungerar också som projektledare för Phase-Change Switch. Teamets huvudutmaning var möjligheten av att uppnå högre temperaturer.
Upplåsningen av VO2: s fulla potential har dock alltid varit svårt eftersom övergångstemperaturen på 68° C är för låg för moderna elektroniska enheter, där kretsarna måste kunna köra felfritt vid 100° C.
Men två EPFL-forskare, Ionescu från School of Engineering (STI) och Andreas Schüler från Arkitektskolan, Civil- och miljöteknik (ENAC), kan ha kommit på en lösning på detta problem, enligt studien om deras gemensamma forskning som publicerats i Applied Letter of Psychics i juli 2017.
Forskarna upptäckte att tillsats av germanium till VO2-film kan lyfta materialets fasförändringstemperatur till över 100° C.
Ännu mer intressant upptäckt gjordes av Nanolab, speciellt när det gällde radiofrekvensansökningar, som publicerades i IEEE Access den 2 februari 2018.
För första gången någonsin kunde forskare framställa ultrakompakta, modulerbara frekvensfilter. Deras teknik använder också VO2 och fasbyte switchar, och är särskilt effektiv inom de frekvensområden som är avgörande för rymdkommunikationssystem (Ka-bandet, med programmerbar frekvensmodulering mellan 28,2 och 35 GHz).
Så kallade neuromorfa processorer och autonoma fordon är lovande innovationer som kommer sannolikt att stimulera ytterligare forskning kring applikationer för VO2 i elektroniska enheter ultra låga effekter. Förutom rymdkommunikation kan andra forskningsfält innefatta neuromorf databehandling och högfrekventa radarsystem för självkörande bilar.
