De elektronen van sommige metaaloxiden, vanwege hun grote effectieve massa in combinatie met het ionenrooster van het materiaal, kan het elektrische veld van licht niet volgen en door het materiaal laten gaan. Transparante en geleidende materialen worden gebruikt in touchscreens van smartphones en zonnepanelen voor fotovoltaïsche energie.

Onderzoekers van het Institute of Materials Science van Barcelona (ICMAB-CSIC), een nieuwe theorie voorstellen om de transparantie van metaaloxiden te verklaren, die worden gebruikt in de aanraakschermen van smartphones en tablets en op de zonnecellen die worden gebruikt in fotovoltaïsche energie. Wetenschappers wijzen erop dat de effectieve massa van elektronen in dit soort materialen groot is vanwege de vorming van polaronen of koppelingen tussen de bewegende elektronen en het ionenrooster van het materiaal, die eromheen is vervormd. Deze elektronen kunnen niet snel oscilleren om het elektrische veld van licht te volgen en het door te laten in plaats van het te reflecteren. Tot nu, de geaccepteerde theorie om deze transparantie te verklaren wees op de interacties tussen de elektronen zelf. De studie is gepubliceerd in het tijdschrift Geavanceerde wetenschap .

materialen, in het algemeen, zijn transparant voor zichtbaar licht wanneer lichtfotonen niet door het materiaal kunnen worden geabsorbeerd en er doorheen gaan zonder te worden onderbroken door interacties met elektronen. De aanwezigheid van vrije ladingen (elektronen) is een fundamenteel kenmerk van metalen, die van nature geleiders zijn. Bij deze materialen de elektronen, onder invloed van het elektrische veld van licht, worden gedwongen te oscilleren, en ze stralen licht uit met dezelfde frequentie als het ontvangen licht. Dit betekent dat metalen de neiging hebben om te glanzen, omdat ze het licht weerkaatsen dat hen bereikt. In aanvulling, dit maakt ze ondoorzichtig, omdat het licht er niet doorheen gaat. Bij sommige materialen is elektronen zijn zwaarder, en kan de trillingen veroorzaakt door het elektrische veld van licht niet zo snel volgen, en kan het niet weerspiegelen, maar laat het door het materiaal gaan zonder interactie; het materiaal is dan transparant.

Op zoek naar alternatieven

Touchscreens in smartphones en tablets zijn gemaakt van transparant en geleidend materiaal. De meeste zijn gemaakt van indiumtinoxide (ITO), een materiaal dat een halfgeleider is. Dit materiaal wordt ook gebruikt in zonnepanelen, in LED's, in LED- of OLED-schermen met vloeibare kristallen, en zelfs in de coatings van voorruiten van vliegtuigen. Maar indium is een zeer zeldzaam metaal. In feite, met de hoge productie van aanraakschermen en de uitbreiding van fotovoltaïsche energie, naar schatting zal het vóór 2050 klaar zijn. Vandaar het belang van het vinden van vervangers. Onderzoekers van ICMAB-CSIC hebben dunne films van het metaaloxide strontium en vanadiumoxide bestudeerd. Wat ze hebben gevonden is dat dunne lagen van dit metalen materiaal, verrassend genoeg, zijn transparant, iets dat gerelateerd zou moeten zijn aan een grote effectieve massa van zijn vrije elektronen.

"We denken dat de toename van de effectieve massa van de elektronen te wijten is aan hun koppeling met het kristalrooster. De elektronen van strontium en vanadiumoxide en, in het algemeen, van metaaloxiden, bewegen in een matrix van ionen (positief en negatief). Dit rooster vervormt met het bewegende elektron en deze vervorming beweegt mee. Het zou zijn als een elektron gekleed in een vervorming van het rooster dat door het materiaal beweegt. Deze koppeling tussen het elektron en het rooster wordt een polaron genoemd en is zwaarder dan het vrije elektron, dus de effectieve massa van het elektron is groter, wat de transparantie van het materiaal voor zichtbaar licht zou verklaren, omdat het de trillingen van het elektrische lichtveld niet kan volgen en het doorlaat, " legt Josep Fontcuberta uit, CSIC-onderzoeker bij ICMAB-CSIC en leider van deze studie.

Dit nieuwe model breekt met het tot nu toe gevestigde paradigma op het gebied van de fysica van de gecondenseerde materie; Coulomb-interacties tussen elektronen werden geaccepteerd om de eigenschappen van metaaloxiden te bepalen. In plaats daarvan, deze nieuwe theorie stelt voor dat de interactie tussen elektronen en het ionenrooster een cruciale rol speelt.

De studie bevat een uitgebreide en ongekende analyse van enkele van de elektrische en optische eigenschappen die worden beschreven door het polaron-scenario. "In eerdere studies was gezien dat er een relatie zou kunnen zijn, maar het was nooit diepgaand geanalyseerd. Verder, afgezien van het controleren van de theorie in strontium en vanadiumoxide, het is geanalyseerd in andere metaaloxiden en in sommige gedoteerde isolatoren, en hun voorspellingen blijken waar te zijn, ", legt Fontcuberta uit.

"Deze studie, onder andere, is het resultaat van een zeer uitputtende karakterisering van de elektrische en optische eigenschappen van tientallen dunne lagen van het betreffende materiaal. Het is ook het resultaat van een zeer zorgvuldige analyse van de gegevens, die enkele discrepanties aan het licht heeft gebracht met scenario's en theorieën die lang geleden zijn vastgesteld. Het geduldige en nauwgezette werk van Mathieu Mirjolet, ICMAB predoctoraal onderzoeker, heeft dit mogelijk gemaakt. Ik weet niet of dit de meest relevante ontdekking in mijn carrière is geweest, omdat ik niet weet wat er nog moet komen, maar ik kan je verzekeren dat dit de beste manier is om mijn oprechte plezier te illustreren in het kijken naar wetenschap en het leven vanuit een ander gezichtspunt, ", voegt Fontcuberta toe.

Deze resultaten zijn het resultaat van een samenwerking tussen ICMAB-onderzoekers Josep Fontcuberta en Mathieu Mirjolet, van de MULFOX-groep, met onderzoekers van de Universiteit van Santiago de Compostela (Spanje), de Universiteit van Freiburg (Duitsland) en de Universiteit van Frankfurt (Duitsland).