Новый материал, который одновременно является в высшей степени прозрачным и электропроводным, может сделать умные окна, экраны большого разрешения и даже сенсорные экраны и солнечные батареи более доступными и эффективными.
Оксид индия-олова в настоящее время является прозрачным проводником, который используется в 90% случаев на рынке остекления. Материал доминирует в своей области в течение вот уже 60 лет. Однако за последнее десятилетие цена на оксид индия-олова резко возросла. Модули сенсорных экранов и дисплеев стали главной статьей затрат (40% от общей стоимости) при изготовлении смартфонов и планшетов.
В то время как процессоры и микросхемы памяти дешевеют, дисплеи от поколения к поколению становятся только дороже. Продолжительное время производители потратили на поиск возможной альтернативы оксиду индия олова, но до сих пор ничто не могло сравниться по степени оптической прозрачности, электрической проводимости и простоты в изготовлении с данным материалом.
Команда исследователей под руководством Романа Энгель-Герберта – доцента кафедры материаловедения и инженерии в университете штата Пенсильвания – сообщает о создании новой стратегии дизайна, рассматривающей проблему под иным углом.
Исследователи использовали тонкие (10 нанометров) слои необычного класса материалов под названием коррелированные металлы, в которых электроны перемещаются подобно жидкости. В то время как в традиционных металлах (золото, алюминий, серебро, медь) электроны перемещаются как газы, в коррелированных металлах (ванадат стронция, ванадат кальция) электроны ведут себя как жидкость.
По словам исследователей, «жидкостный» электронный поток способствует высокому уровню оптической прозрачности и металлической проводимости.
Поведение жидкости
«Мы пытаемся сделать металлы прозрачными путём изменения эффективной массы электронов». «Мы реализуем это, выбирая материалы, в которых электростатическое взаимодействие между отрицательно заряженными электронами значительно больше их кинетической энергии».
Энгель-Герберт
В результате столь сильного эффекта электронной корреляции электроны «чувствуют» друг друга и ведут себя как жидкость, а не как газ, чьи частицы практически не взаимодействуют друг с другом. Эта «электронная жидкость» обладает большей проводимостью, но когда лучи света попадают на её поверхность, она становится менее отражающей, а значит более прозрачной.
Чтобы лучше понять, с помощью каких материалов можно достичь такого прекрасного баланса между прозрачностью и проводимостью, Энгель-Герберт и его команда обратились к эксперту в области материаловедения, профессору Ратгерского университета Кэрин Рэйб.
Рэйб помогла команде из Университета Пенсильвании сложить этот теоретический и математический пазл, столь необходимый для создания прозрачного проводника в виде коррелированного металла. Теперь, когда ученые поняли основной механизм работы своего открытия, они верят в то, что найдут множество аналогов коррелированных материалов, которые будут функционировать как ванадат кальция и стронция.
5% от стоимости индия
Лэй Чжан – ведущий автор издания Nature Materials и один из членов группы исследователей под руководством Энгель-Герберта – стал первым, кто поведал всему миру о новом инновационном открытии.
«До того, как я присоединился к исследовательской группе, я работал пару лет инженером в Силиконовой Долине». Я был в курсе того, что многие компании безуспешно пытаются найти аналог оксиду индия-олова, дабы оптимизировать многие процессы изготовления. Вскоре и я стал одним из членов команды, работающей над этим вопросом. Позже, когда в процессе опытов мы замеряли электропоказатели коррелированных металлов, я сразу понял, что наша работа принесла свои плоды и мы открыли что-то по-настоящему способное конкурировать с индием».
Лэй Чжан
На данный момент цена индия составляет 750 долларов за 1 кг, в то время как ванадат стронция и кальция, состоящий из элементов, более часто встречающихся в земной коре, можно приобрести по цене в 25 долларов за 1 кг, что составляет менее 5% от стоимости индия.
Наши коррелированные металлы работают даже лучше оксида олова-индия. Сейчас стоит лишь вопрос о том, как внедрить эти материалы в широкоформатный производственный процесс
Роман Энгель-Герберт, доцент кафедры материаловедения и инженерии в университете штата Пенсильвания