Europeiska forskare har kombinerat datormodellering av kvantmekanik och precisionstillverkningsprocesser för att skapa nya transparenta ledande oxider gjorda på beställning för ett brett utbud av vetenskapliga och konsumenttillämpningar.
Föreställ dig att specificera exakt hur du vill att ett nytt material ska bete sig, lämnar dessa specifikationer till en ingenjör, och få tillbaka ett helt nytt material med exakt de egenskaper du behöver.
Det är vad det EU-finansierade projektet NATCO (for Novel Advanced Transparent Conductive Oxides) hade för avsikt att göra. De designade och utvecklade nya transparenta konduktiva oxider (TCO) till krävande specifikationer genom att tillämpa kvantmekanik för att förutsäga ett material optiska och elektroniska egenskaper, tillverkar det, och kontrollera deras resultat experimentellt.
Resultaten? Helt nya TCO:er med ett brett utbud av potentiella tillämpningar inom sensorer, solceller, smarta fönster, och dussintals andra vetenskapliga, kommersiella och konsumentprodukter.
"Inom området optoelektronik, det finns ett stort behov av att hitta bättre och billigare material, säger Guy Garry, koordinator för NATCO-projektet. ”Vägen vi tog var först att göra beräkningar för att hitta det bästa sättet att få de egenskaper vi behövde. När vi tillverkade dessa material, vi fann att deras egenskaper var desamma som vi hade beräknat.”
Denna rationella designprocess - med hjälp av de första principerna för att beräkna konduktiviteten och transparensen hos nya material innan de tillverkades - gjorde det möjligt för forskarna att snabbt och effektivt utveckla nya TCO:er med förbättrad prestanda.
"Vi kunde göra dessa beräkningar mycket snabbt, vilket gjorde det möjligt för oss att förbättra befintliga fastigheter och hitta nya fastigheter, säger Dr Garry.
Helt nytt optoelektroniskt material
TCOs - material som kombinerar transparens och konduktivitet, egenskaper som vanligtvis inte finns tillsammans - har flera tillämpningar. Som sensorer, solceller, ljusavgivande anordningar och elektroniskt styrbara filmer, de finns i vetenskapliga instrument, DVD-skivor, digital kameror, mobiltelefoner, datorskärmar och hundratals andra produkter.
Tills nyligen, de flesta TCO:er förlitade sig på ett material som heter ITO, en indiumoxid som är dopad - något modifierad - genom tillsats av en liten mängd tenn. ITO:er har visat sig användbara, men, Dr Garry säger, lider av två nackdelar. Deras transparens är inte särskilt bra, speciellt i det nära-infraröda området, och indium är en bristvara och mycket dyr.
NATCO-teamet bestämde sig för att utforska ett helt annat material, strontiumkuprat dopat med varierande mängd barium. Koppar, barium och strontium är mycket rikligare och mycket billigare än indium.
Omfattande beräkningar med tillämpning av kvantmekanik förutspådde att, genom att dopa strontiumkuprat med några viktprocent barium, forskarna kunde skapa exakt de material de ville ha, som kombinerar god elektrisk ledningsförmåga och optisk transparens.
Att tillverka de nya materialen var en utmaning. Först tillverkades materialen i form av bulkkeramik och sedan, för faktiska tillämpningar, tunna skikt avsattes på lämpliga substrat.
I slutet, forskarna bestämde sig för två deponeringstekniker - pulsad laserdeposition (PLD) och metallorganisk kemisk deposition (MOCVD).
I PLD, en skur av laserljus förångar materialet som ska avsättas, skapa en tunn film på en glas- eller silikonyta. Det tillåter exakt kontroll, men kan inte användas på stora ytor.
MOCVD använder organisk kemi för att skapa gaser som avsätter det önskade materialet på en yta. Det är en mer komplicerad procedur, men har fördelen av att kunna skalas upp för att belägga stora ytor.
När de väl hade tillverkat materialen, forskarna kunde testa hur väl deras elektriska och optiska egenskaper matchade de förutsagda värdena. "Detta var första gången som den här typen av arbete gjordes på TCOs, säger Dr Garry.
Flera applikationer på gång
I dag, en av de mest lovande tillämpningarna av NATCO:s nya TCO är inom området utsökt känsliga biosensorer. Dessa enheter, med den tungvridande titeln Elecro-Chemical Optical Waveguide Light-mode Spectroscopy Sensors, tillverkas av den ungerska konsortiumpartnern MicroVacuum. De fungerar genom att mäta hur ljus böjs när det passerar genom ett mycket tunt optiskt vågledande lager.
När målmolekyler binder till detektorns yta, de ändrar TCO:s brytningsindex, vilket i sin tur förändrar hur ljus passerar genom vågledaren. Att applicera ett varierande elektriskt fält genom lagret ger ytterligare information om molekylerna.
"Vi fick mycket bra resultat på dessa enheter med våra strontiumkupratmaterial, säger Dr Garry. Han förutser ett brett utbud av applikationer för dessa sensorer, speciellt inom området proteomik.
Projektets kommersiella och akademiska partners söker efter andra applikationer för NATCO:s designer-TCO:er, inklusive effektivare solceller, smarta fönster, nya ljuskällor, och material för att modulera laserljus.
För Dr Garry, Resultaten av projektets första principmodellering och precisionstillverkning är så uppmuntrande att han planerar att tillämpa dem på mer utmanande problem.
"Vi skulle vilja använda den här vägen för att studera mer komplicerade material, " han säger. "Till exempel, att titta på ferroelektricitet för att se varför vissa material med samma struktur är ferroelektriska medan andra inte är det."
