Europese onderzoekers hebben computermodellering van kwantummechanica en precisiefabricageprocessen gecombineerd om nieuwe transparante geleidende oxiden te creëren die op bestelling zijn gemaakt voor een breed scala aan wetenschappelijke en consumententoepassingen.

Stel je voor dat je precies specificeert hoe je wilt dat een nieuw materiaal zich gedraagt, die specificaties overhandigen aan een ingenieur, en een gloednieuw materiaal terugkrijgen met precies de kwaliteiten die je nodig hebt.

Dat is wat het door de EU gefinancierde project NATCO (voor Novel Advanced Transparent Conductive Oxides) wilde doen. Ze ontwierpen en ontwikkelden nieuwe transparante geleidende oxiden (TCO's) volgens veeleisende specificaties door kwantummechanica toe te passen om de optische en elektronische eigenschappen van een materiaal te voorspellen, het fabriceren, en hun resultaten experimenteel te controleren.

De resultaten? Volledig nieuwe TCO's met een breed scala aan potentiële toepassingen in sensoren, zonnepanelen, slimme ramen, en tientallen andere wetenschappelijke, commerciële en consumentenproducten.

“Op het gebied van opto-elektronica, er is grote behoefte aan betere en goedkopere materialen, " zegt Guy Garry, coördinator van het NATCO-project. “De route die we namen was om eerst berekeningen te maken om de beste manier te vinden om aan de eigenschappen te komen die we nodig hadden. Toen we deze materialen vervaardigden, we ontdekten dat hun eigenschappen hetzelfde waren als we hadden berekend.”

Dit rationele ontwerpproces - waarbij de eerste principes werden gebruikt om de geleidbaarheid en transparantie van nieuwe materialen te berekenen voordat ze werden gefabriceerd - stelde de onderzoekers in staat om snel en efficiënt nieuwe TCO's te ontwikkelen met verbeterde prestaties.

“We hebben deze berekeningen heel snel kunnen maken, waardoor we bestaande eigendommen konden verbeteren en nieuwe eigendommen konden vinden, ’ zegt dokter Garry.

Gloednieuw opto-elektronisch materiaal

TCO's - materialen die transparantie en geleidbaarheid combineren, kwaliteiten die gewoonlijk niet samen worden gevonden - hebben meerdere toepassingen. Als sensoren, fotovoltaïsche, lichtgevende apparaten en elektronisch bestuurbare films, ze worden gevonden in wetenschappelijke instrumenten, dvd's, digitale fototoestellen, mobieltjes, computerschermen en honderden andere producten.

Tot voor kort, de meeste TCO's vertrouwden op een materiaal genaamd ITO, een oxide van indium dat door toevoeging van een kleine hoeveelheid tin is gedoteerd - enigszins gemodificeerd. ITO's zijn nuttig gebleken, maar, Dr Garry zegt, hebben twee nadelen. Hun transparantie is niet erg goed, vooral in het nabij-infraroodbereik, en indium is schaars en erg duur.

Het NATCO-team besloot een heel ander materiaal te verkennen, strontium cupraat gedoteerd met verschillende hoeveelheden barium. Koper, barium en strontium zijn veel overvloediger en veel goedkoper dan indium.

Uitgebreide berekeningen met behulp van kwantummechanica voorspelden dat, door strontiumcupraat te doteren met een paar gewichtsprocenten barium, konden de onderzoekers precies de materialen maken die ze wilden, een combinatie van goede elektrische geleidbaarheid en optische transparantie.

Het vervaardigen van de nieuwe materialen was een uitdaging. Aanvankelijk werden de materialen vervaardigd in de vorm van bulkkeramiek en vervolgens, voor daadwerkelijke toepassingen, dunne lagen werden afgezet op geschikte substraten.

Uiteindelijk, de onderzoekers kozen voor twee depositietechnieken:pulsed laser deposition (PLD) en metal organic chemical deposition (MOCVD).

In PLD, een uitbarsting van laserlicht verdampt het te deponeren materiaal, het creëren van een dunne film op een glazen of siliconen oppervlak. Het maakt nauwkeurige controle mogelijk, maar kan niet worden gebruikt op grote oppervlakken.

MOCVD gebruikt organische chemie om gassen te creëren die het gewenste materiaal op een oppervlak afzetten. Het is een ingewikkelder procedure, maar heeft het voordeel dat het kan worden opgeschaald om grote oppervlakken te coaten.

Nadat ze de materialen hadden gefabriceerd, de onderzoekers konden testen hoe goed hun elektrische en optische eigenschappen overeenkwamen met de voorspelde waarden. “Dit was de eerste keer dat dit soort werk aan TCO's werd gedaan, ’ zegt dokter Garry.

Meerdere toepassingen in de maak

Vandaag, een van de meest veelbelovende toepassingen van NATCO's nieuwe TCO's is op het gebied van uiterst gevoelige biosensoren. Deze apparaten, met de tongverdraaiende titel van Elecro-Chemical Optical Waveguide Light-mode Spectroscopie Sensors, worden vervaardigd door de Hongaarse consortiumpartner MicroVacuum. Ze werken door te meten hoe licht wordt gebogen als het door een zeer dunne optische golfgeleidingslaag gaat.

Wanneer doelmoleculen binden aan het oppervlak van de detector, ze veranderen de brekingsindex van de TCO, wat op zijn beurt verandert hoe licht door de golfgeleider gaat. Het aanbrengen van een variërend elektrisch veld door de laag geeft meer informatie over de moleculen.

"We hebben zeer goede resultaten behaald op deze apparaten met behulp van onze strontiumcupraatmaterialen, ’ zegt dokter Garry. Hij voorziet een breed scala aan toepassingen voor deze sensoren, vooral op het gebied van proteomics.

De commerciële en academische partners van het project streven naar andere toepassingen voor NATCO's designer TCO's, waaronder efficiëntere zonnecellen, slimme ramen, nieuwe lichtbronnen, en materialen om laserlicht te moduleren.

Voor dokter Garry, de resultaten van de eerste principes van modellering en precisiefabricage van het project zijn zo bemoedigend dat hij van plan is ze toe te passen op meer uitdagende problemen.

“We willen deze route gebruiken om meer gecompliceerde materialen te bestuderen, " hij zegt. "Bijvoorbeeld, om naar ferro-elektriciteit te kijken om te zien waarom sommige materialen met dezelfde structuur ferro-elektrisch zijn en andere niet.”