物理

少なくとも教科書の理論によれば、水が凍るとき、氷は最初に「核」（成長または縮小することができ、最小サイズに達した場合にのみ存続できる小さな種の結晶）で形成されます。 研究者らは今回、この理解が二酸化バナジウム (VO2) のより複雑な相転移にも当てはまることを示しました。二酸化バナジウム (VO2) は、いわゆる金属から絶縁体への相転移で電気特性と結晶構造の両方が変化する材料です [1]。 研究チームは、この転移を引き起こす「シード」の閾値サイズを測定し、結晶構造の転移を研究するための新しい技術を実証しました。 この結果は、古典的な核生成理論が、触媒、レーザー、合金やセラミックの製造などの分野で重要なさまざまな材料に対して有効であることを示唆しています。

精製水の入ったバケツを氷点下の環境に置くと、小さな氷の種が形成され始めます。 多くはすぐに溶けますが、特定のしきい値サイズを超えるものは成長し、最終的には単一の氷のブロックを形成します。 古典的な核生成理論に関連したこの結晶化の見方は、水と氷の転移についてよく受け入れられています。 カリフォルニア大学バークレー校のJunqiao Wu氏らは、VO2がある結晶構造から別の結晶構造に移行する際に、同じ核生成現象が起きているかどうかをテストしたいと考えた。

VO2 は、表面コーティング、センサー、イメージング システムで使用されます。 340 K を超えると、材料は金属となり、良好な電気伝導体となることを意味します。 室温では絶縁体（不導体）になります。 この金属から絶縁体への転移 (MIT) には材料の結晶構造の変化が伴い、水から氷への転移を彷彿とさせるいくつかの特徴があります。 たとえば、材料が十分に純粋であれば、VO2 は「過冷却」され、通常は絶縁される温度でも金属のままになります。 水は凝固点以下に過冷却されることもあります。

研究者らはこれまで、VO2 や同様の物質が水と同じように相転移の核を引き起こすというヒントを発見していましたが、直接的な証拠はありませんでした。 この可能性を探るため、ウー氏らは金属内に「核形成シード」（相転移の核となる小さな領域）を配置し、核形成プロセスを制御する方法を開発した。

まず研究者らは、断面が約100×250平方ナノメートル（nm2）、長さが約50マイクロメートルの一連の純粋な単結晶金属性VO2ワイヤを作製した。 各実験では、ワイヤーの 1 本を一対の平行な電極リッジに掛けて、ワイヤーの端のみが支持されるようにしました。 次にチームはワイヤーの端にヘリウムイオンを照射した。 この照射により端が損傷し、電極との接触によって望ましくない核形成が引き起こされるのを防ぐことができ、「核形成の種子を植えて成長させるための理想的な苗床」が形成されたとウー氏は言う。 また、ワイヤー全体に一連のストライプを照射して、8 つの個別の「シールドされた」セグメントを作成しました。 研究チームは、集束ガリウムイオンビームを使用して結晶構造を歪め、各セグメントに核形成シードを作成した。 シードの直径は 10 nm から 180 nm まであり、研究チームは光学顕微鏡を使用してワイヤの相転移に対するシードの影響を観察しました。

研究者らがワイヤを VO2 の通常の相転移温度以下に冷却すると、各シードは最終的にそのセグメントで相転移を引き起こしました。シードが小さいほど転移温度は低くなります。 研究チームは、MIT を実行するには最小シード サイズが数十ナノメートル必要であることを発見しました (正確な値はシード作成の詳細によって異なります)。 すべての結果は古典的な核生成理論の予測と一致しました。

ウー氏は、この結果はVO2のMITが核生成によって推進されていることを示しており、研究者はよりよく研究された材料を使用してMITについてのさらなる洞察を収集できる可能性があると述べている。 「これらの現象を支配する普遍的なものが存在します」と彼は言います。 同氏はまた、この結果は、応用分野や基礎研究研究における VO2 の使用を改善できる、相転移が適切に制御された材料を設計するための道筋を提供すると考えています。 「私たちが実証した深く過冷却された VO2 は、将来の研究のための理想的なテストベッドです」とウー氏は言います。