Электроны некоторых оксидов металлов из-за их большой эффективной массы при взаимодействии с ионной решеткой материала не могут следовать за электрическим полем света и пропускать его через материал. Прозрачные и проводящие материалы используются в сенсорных экранах смартфонов и солнечных панелях для фотоэлектрической энергии.
Исследователи из Института материаловедения Барселоны (ICMAB-CSIC) предлагают новую теорию, объясняющую прозрачность оксидов металлов, которые используются в сенсорных экранах смартфонов и планшетов, а также в солнечных элементах, используемых в фотоэлектрической энергии. Ученые отмечают, что эффективная масса электронов в этих типах материалов велика из-за образования поляронов или связей между движущимися электронами и ионной решеткой материала, которая искажается вокруг него. Эти электроны не могут быстро колебаться вслед за электрическим полем света и пропускать его, а не отражать. До сих пор общепринятая теория, объясняющая эту прозрачность, указывала на взаимодействия между самими электронами. Исследование опубликовано в журнале Advanced Science.
Материалы, как правило, прозрачны для видимого света, когда световые фотоны не могут поглощаться материалом и проходить через него, не прерываясь взаимодействием с электронами. Наличие свободных зарядов (электронов) является фундаментальной характеристикой металлов, которые по своей природе являются проводниками. В этих материалах электроны под действием электрического поля света вынуждены колебаться, и они излучают свет с той же частотой, что и принимаемый свет. Это означает, что металлы склонны сиять, потому что они отражают попадающий на них свет. Кроме того, это делает их непрозрачными, так как свет через них не проходит. В некоторых материалах электроны тяжелее и не могут так быстро следовать за колебаниями, вызванными электрическим полем света, и не могут его отражать, но позволяют ему проходить сквозь материал без взаимодействия;
Ищем альтернативы
Сенсорные экраны в смартфонах и планшетах сделаны из прозрачного проводящего материала. Большинство из них изготовлено из оксида индия и олова (ITO), материала, который является полупроводником. Этот материал также используется в солнечных панелях, светодиодах, светодиодных или OLED-дисплеях на жидких кристаллах и даже в покрытиях лобовых стекол самолетов. Но индий — очень редкий металл. Фактически, с увеличением производства сенсорных экранов и расширением использования фотоэлектрической энергии предполагается, что он будет завершен до 2050 года. Отсюда важность поиска заменителей. Исследователи ICMAB-CSIC изучили тонкие пленки оксида металла стронция и оксида ванадия. Они обнаружили, что тонкие слои этого металлического материала на удивление прозрачны, что должно быть связано с большой эффективной массой его свободных электронов.
«Мы думаем, что увеличение эффективной массы электронов связано с их взаимодействием с кристаллической решеткой. Электроны оксидов стронция и ванадия и в целом оксидов металлов движутся в матрице ионов (положительных и отрицательных). Эта решетка деформируется вместе с движущимся электроном, и это искажение движется вместе с ним. Это было бы похоже на движение электрона в искаженной решетке через материал. Эта связь между электроном и решеткой называется поляроном, и он тяжелее свободного электрона, поэтому эффективная масса электрона больше, что объясняет прозрачность материала для видимого света, поскольку он не может следовать за колебаниями электрическое световое поле и пропускает его», — объясняет Хосеп Фонткуберта, исследователь CSIC в ICMAB-CSIC и руководитель этого исследования.
Эта новая модель расходится с парадигмой, установленной до сих пор в области физики конденсированного состояния; Считалось, что кулоновские взаимодействия между электронами определяют свойства оксидов металлов. Вместо этого новая теория предполагает, что решающую роль играет взаимодействие между электронами и ионной решеткой.
Исследование содержит всесторонний и беспрецедентный анализ некоторых электрических и оптических свойств, описываемых поляронным сценарием. «В предыдущих исследованиях было замечено, что связь может быть, но она никогда не подвергалась глубокому анализу. Кроме того, помимо проверки теории на оксидах стронция и ванадия, она была проанализирована и на других металлических оксидах и в некоторых легированных изоляторах, и их предсказания оказались верными», — объясняет Фонкуберта.
«Это исследование, среди прочего, является результатом очень исчерпывающей характеристики электрических и оптических свойств десятков тонких слоев рассматриваемого материала. Это также результат очень тщательного анализа данных, который выявил некоторые расхождения со сценариями и теориями, созданными давно. Это стало возможным благодаря терпеливой и кропотливой работе Матье Миржоле, научного сотрудника ICMAB. Я не знаю, было ли это самым значимым открытием в моей карьере, поскольку я не знаю, что еще впереди, но могу заверить вас, что это лучший способ продемонстрировать мое искреннее удовольствие от взгляда на науку и жизнь. с другой точки зрения», — добавляет Фонкуберта.
