En ny teori til at forklare gennemsigtigheden af ​​metalliske oxider

Elektronerne i nogle metaloxider, på grund af deres store effektive masse, når de kobles med materialets iongitter, kan ikke følge lysets elektriske felt og lade det passere gennem materialet. Gennemsigtige og ledende materialer bruges i smartphone-touchskærme og solpaneler til fotovoltaisk energi.

Forskere fra Institut for Materialevidenskab i Barcelona (ICMAB-CSIC), foreslå en ny teori til at forklare gennemsigtigheden af ​​metaloxider, som bruges i touchskærmene på smartphones og tablets samt på de solceller, der bruges i solcelleenergi. Forskere påpeger, at den effektive masse af elektroner i disse typer materialer er stor på grund af dannelsen af ​​polaroner eller koblinger mellem elektronerne i bevægelse og materialets iongitter, som er forvrænget omkring det. Disse elektroner kan ikke hurtigt oscillere efter lysets elektriske felt og lade det passere i stedet for at reflektere det. Indtil nu, den accepterede teori til at forklare denne gennemsigtighed pegede på interaktionerne mellem elektronerne selv. Undersøgelsen er blevet offentliggjort i tidsskriftet Avanceret Videnskab .

Materialer, generelt, er transparente for synligt lys, når lysfotoner ikke kan absorberes af materialet og passerer igennem det uden at blive afbrudt af interaktioner med elektroner. Tilstedeværelsen af ​​frie ladninger (elektroner) er en grundlæggende egenskab i metaller, som er ledere af natur. I disse materialer, elektronerne, under påvirkning af det elektriske lysfelt, tvinges til at svinge, og de udstråler lys med samme frekvens som det modtagende lys. Det betyder, at metaller har en tendens til at skinne, fordi de reflekterer lyset, der når dem. Ud over, dette gør dem uigennemsigtige, da lys ikke passerer gennem dem. I nogle materialer, elektroner er tungere, og kan ikke følge oscillationerne forårsaget af lysets elektriske felt så hurtigt, og kan ikke afspejle det, men lad det passere gennem materialet uden at interagere; materialet er så gennemsigtigt.

Leder efter alternativer

Touchskærme i smartphones og tablets er lavet af et gennemsigtigt og ledende materiale. De fleste af dem er lavet af indiumtinoxid (ITO), et materiale, der er en halvleder. Dette materiale bruges også i solpaneler, i lysdioder, i LED eller OLED flydende krystal skærme, og endda i belægninger af flyforruder. Men indium er et meget sjældent metal. Faktisk, med den høje produktion af berøringsskærme og udvidelsen af ​​fotovoltaisk energi, det anslås, at det vil være færdigt inden 2050. Derfor er det vigtigt at finde vikarer. Forskere ved ICMAB-CSIC har studeret tynde film af metaloxidet strontium og vanadiumoxid. Det, de har fundet, er, at tynde lag af dette metalliske materiale, overraskende, er gennemsigtige, noget, der skulle være relateret til en stor effektiv masse af dets frie elektroner.

"Vi tror, ​​at stigningen i elektronernes effektive masse skyldes deres kobling med krystalgitteret. Elektronerne af strontium og vanadiumoxid og, generelt, af metaloxider, bevæge sig i en matrix af ioner (positive og negative). Dette gitter deformeres med den bevægelige elektron, og denne forvrængning bevæger sig med den. Det ville være som en elektron klædt i en forvrængning af gitteret, der bevæger sig gennem materialet. Denne kobling mellem elektronen og gitteret kaldes en polaron, og den er tungere end den frie elektron, så den effektive masse af elektronen er større, hvilket ville forklare materialets gennemsigtighed over for synligt lys, da det ikke kan følge svingningerne i det elektriske lysfelt og lader det passere igennem, " forklarer Josep Fontcuberta, CSIC-forsker ved ICMAB-CSIC og leder af denne undersøgelse.

Denne nye model bryder med det paradigme, der hidtil er etableret inden for det kondenserede stofs fysik; Coulomb-interaktioner mellem elektroner blev accepteret til at styre egenskaberne af metaloxider. I stedet, denne nye teori foreslår, at interaktionen mellem elektroner og iongitteret spiller en afgørende rolle.

Undersøgelsen indeholder en omfattende og hidtil uset analyse af nogle af de elektriske og optiske egenskaber, der beskrives af polaron-scenariet. "I tidligere undersøgelser havde man set, at der kunne være et forhold, men det var aldrig blevet analyseret i dybden. Desuden, bortset fra at kontrollere teorien i strontium og vanadiumoxid, det er blevet analyseret i andre metaloxider og i nogle doterede isolatorer, og deres forudsigelser har vist sig at være sande, " forklarer Fontcuberta.

"Dette studie, blandt andet, er resultatet af en meget udtømmende karakterisering af de elektriske og optiske egenskaber af snesevis af tynde lag af det pågældende materiale. Det er også resultatet af en meget omhyggelig analyse af dataene, hvilket har afsløret nogle uoverensstemmelser med scenarier og teorier etableret for længe siden. Mathieu Mirjolets tålmodige og omhyggelige arbejde, ICMAB prædoctoral forsker, har gjort dette muligt. Jeg ved ikke, om det har været den mest relevante opdagelse i min karriere, da jeg ikke ved hvad der stadig venter, men jeg kan forsikre dig om, at det er den bedste måde at illustrere min ægte glæde ved at se på videnskaben og livet fra et andet synspunkt, " tilføjer Fontcuberta.

Disse resultater kommer fra et samarbejde mellem ICMAB-forskerne Josep Fontcuberta og Mathieu Mirjolet, fra MULFOX-gruppen, med forskere fra University of Santiago de Compostela (Spanien), universitetet i Freiburg (Tyskland) og universitetet i Frankfurt (Tyskland).