Ett team av forskare, ledd av University of Minnesota, har upptäckt ett nytt tunnfilmsmaterial i nanoskala med den högsta ledningsförmågan någonsin i sin klass. Det nya materialet kan leda till mindre, snabbare, och kraftfullare elektronik, samt effektivare solceller.

Upptäckten publiceras idag i Naturkommunikation , en open access-tidskrift som publicerar högkvalitativ forskning från alla områden inom naturvetenskap.

Forskare säger att det som gör detta nya material så unikt är att det har en hög ledningsförmåga, som hjälper elektronik att leda mer elektricitet och bli kraftfullare. Men materialet har också ett brett bandgap, vilket innebär att ljus lätt kan passera genom materialet vilket gör det optiskt transparent. I de flesta fallen, material med stort bandgap, har vanligtvis antingen låg ledningsförmåga eller dålig transparens.

"Den höga ledningsförmågan och det breda bandgapet gör detta till ett idealiskt material för att göra optiskt transparenta ledande filmer som kan användas i en mängd olika elektroniska enheter, inklusive högeffektelektronik, elektroniska displayer, pekskärmar och till och med solceller där ljus måste passera genom enheten, sa Bharat Jalan, en professor i kemiteknik och materialvetenskap vid University of Minnesota och huvudforskaren i studien.

För närvarande, de flesta av de transparenta ledarna i vår elektronik använder ett kemiskt element som kallas indium. Priset på indium har stigit enormt under de senaste åren, vilket avsevärt har ökat kostnaden för nuvarande bildskärmsteknik. Som ett resultat, det har gjorts enorma ansträngningar för att hitta alternativa material som också fungerar, eller ännu bättre, än indiumbaserade transparenta ledare.

I den här studien, forskare hittade en lösning. De utvecklade en ny transparent ledande tunn film med hjälp av en ny syntesmetod, där de odlade en BaSnO3 tunn film (en kombination av barium, tenn och syre, kallas bariumstannat), men ersatte elementär tennkälla med en kemisk prekursor av tenn. Den kemiska prekursorn för tenn har unika, radikala egenskaper som förbättrade den kemiska reaktiviteten och avsevärt förbättrade metalloxidbildningsprocessen. Både barium och tenn är betydligt billigare än indium och finns i överflöd.

"Vi blev ganska förvånade över hur väl detta okonventionella tillvägagångssätt fungerade första gången vi använde den kemiska prekursorn av tenn, " sa University of Minnesota kemiteknik och materialvetenskap doktorand Abhinav Prakash, tidningens första författare. "Det var en stor risk, men det var ett ganska stort genombrott för oss."

Jalan och Prakash sa att den här nya processen gjorde det möjligt för dem att skapa detta material med oöverträffad kontroll över tjockleken, sammansättning, och defektkoncentration och att denna process bör vara mycket lämplig för ett antal andra materialsystem där grundämnet är svårt att oxidera. Den nya processen är också reproducerbar och skalbar.

De tillade vidare att det var den strukturellt överlägsna kvaliteten med förbättrad defektkoncentration som gjorde att de kunde upptäcka hög ledningsförmåga i materialet. De sa att nästa steg är att fortsätta att minska defekterna på atomär skala.

"Även om detta material har den högsta ledningsförmågan inom samma materialklass, det finns mycket utrymme för förbättringar, till den enastående potentialen för att upptäcka ny fysik om vi minskar defekterna. Det är vårt nästa mål, " sa Jalan.