Elektronerna i vissa metalloxider, på grund av deras stora effektiva massa när de kopplas till materialets jongitter, kan inte följa ljusets elektriska fält och låta det passera genom materialet. Transparenta och ledande material används i smartphones pekskärmar och solpaneler för solcellsenergi.

Forskare från Institutet för materialvetenskap i Barcelona (ICMAB-CSIC), föreslå en ny teori för att förklara transparensen av metalloxider, som används i smartphones och surfplattors pekskärmar samt på de solceller som används inom solcellsenergi. Forskare påpekar att den effektiva massan av elektroner i dessa typer av material är stor på grund av bildandet av polaroner eller kopplingar mellan elektronerna i rörelse och materialets jongitter, som är förvrängd runt den. Dessa elektroner kan inte snabbt svänga efter ljusets elektriska fält och låta det passera istället för att reflektera det. Tills nu, den accepterade teorin för att förklara denna transparens pekade på interaktionerna mellan elektronerna själva. Studien har publicerats i tidskriften Avancerad vetenskap .

Material, i allmänhet, är transparenta för synligt ljus när ljusfotoner inte kan absorberas av materialet och passera genom det utan att avbrytas av interaktioner med elektroner. Närvaron av fria laddningar (elektroner) är en grundläggande egenskap hos metaller, som till sin natur är ledare. I dessa material, elektronerna, under påverkan av det elektriska ljusfältet, tvingas svänga, och de utstrålar ljus med samma frekvens som mottagningsljuset. Detta betyder att metaller tenderar att glänsa, eftersom de reflekterar ljuset som når dem. Dessutom, detta gör dem ogenomskinliga, eftersom ljus inte passerar genom dem. I vissa material, elektroner är tyngre, och kan inte följa svängningarna som orsakas av det elektriska ljusfältet lika snabbt, och kan inte reflektera det, men låt det passera genom materialet utan att interagera; materialet är då genomskinligt.

Letar efter alternativ

Pekskärmar i smartphones och surfplattor är gjorda av ett transparent och ledande material. De flesta av dem är gjorda av indiumtennoxid (ITO), ett material som är en halvledare. Detta material används också i solpaneler, i lysdioder, i LED- eller OLED-vätskekristallskärmar, och även i beläggningar av flygplansvindrutor. Men indium är en mycket sällsynt metall. Faktiskt, med den höga produktionen av pekskärmar och utbyggnaden av solcellsenergi, det beräknas vara klart före 2050. Därav vikten av att hitta substitut. Forskare vid ICMAB-CSIC har studerat tunna filmer av metalloxiden strontium och vanadinoxid. Vad de har hittat är att tunna lager av detta metalliska material, förvånande, är transparenta, något som skulle behöva relateras till en stor effektiv massa av dess fria elektroner.

"Vi tror att ökningen av elektronernas effektiva massa beror på deras koppling till kristallgittret. Elektronerna av strontium och vanadinoxid och, i allmänhet, av metalloxider, rör sig i en matris av joner (positiva och negativa). Detta gitter deformeras med den rörliga elektronen och denna förvrängning rör sig med den. Det skulle vara som en elektron klädd i en förvrängning av gittret som rör sig genom materialet. Denna koppling mellan elektronen och gittret kallas en polaron och den är tyngre än den fria elektronen, så den effektiva massan av elektronen är större, vilket skulle förklara materialets transparens för synligt ljus eftersom det inte kan följa svängningarna i det elektriska ljusfältet och låter det passera, " förklarar Josep Fontcuberta, CSIC-forskare vid ICMAB-CSIC och ledare för denna studie.

Denna nya modell bryter med det paradigm som hittills etablerats inom den kondenserade materiens fysik; Coulomb-interaktioner mellan elektroner accepterades för att styra egenskaperna hos metalloxider. Istället, denna nya teori föreslår att interaktionen mellan elektroner och jongittret spelar en avgörande roll.

Studien innehåller en omfattande och aldrig tidigare skådad analys av några av de elektriska och optiska egenskaper som beskrivs av polaronscenariot. "I tidigare studier hade man sett att det kunde finnas ett förhållande, men det hade aldrig analyserats på djupet. Vidare, förutom att kontrollera teorin i strontium och vanadinoxid, det har analyserats i andra metalloxider och i vissa dopade isolatorer, och deras förutsägelser har visat sig vara sanna, " förklarar Fontcuberta.

"Den här studien, bland annat, är resultatet av en mycket uttömmande karakterisering av de elektriska och optiska egenskaperna hos dussintals tunna lager av materialet i fråga. Det är också resultatet av en mycket noggrann analys av data, vilket har avslöjat vissa avvikelser med scenarier och teorier som etablerats för länge sedan. Mathieu Mirjolets tålmodiga och noggranna arbete, ICMAB predoctoral forskare, har gjort detta möjligt. Jag vet inte om det har varit den mest relevanta upptäckten i min karriär, eftersom jag inte vet vad som fortfarande kommer, men jag kan försäkra er att det är det bästa sättet att illustrera mitt genuina nöje att se på vetenskapen och livet ur en annan synvinkel, " tillägger Fontcuberta.

Dessa resultat kommer från ett samarbete mellan ICMAB-forskarna Josep Fontcuberta och Mathieu Mirjolet, från MULFOX-gruppen, med forskare från universitetet i Santiago de Compostela (Spanien), universitetet i Freiburg (Tyskland) och universitetet i Frankfurt (Tyskland).