Een team van onderzoekers, geleid door de Universiteit van Minnesota, hebben een nieuw dunne-filmmateriaal op nanoschaal ontdekt met de hoogste geleidbaarheid ooit in zijn klasse. Het nieuwe materiaal zou kunnen leiden tot kleinere, sneller, en krachtigere elektronica, en efficiëntere zonnecellen.

De ontdekking wordt vandaag gepubliceerd in Natuurcommunicatie , een open access tijdschrift dat kwalitatief hoogstaand onderzoek publiceert op alle terreinen van de natuurwetenschappen.

Onderzoekers zeggen dat wat dit nieuwe materiaal zo uniek maakt, is dat het een hoge geleidbaarheid heeft, waardoor elektronica meer elektriciteit geleidt en krachtiger wordt. Maar het materiaal heeft ook een brede bandgap, wat betekent dat licht gemakkelijk door het materiaal kan gaan en het optisch transparant maakt. In de meeste gevallen, materialen met brede bandgap, hebben meestal een lage geleidbaarheid of een slechte transparantie.

"De hoge geleidbaarheid en brede bandgap maken dit een ideaal materiaal voor het maken van optisch transparante geleidende films die in een breed scala aan elektronische apparaten kunnen worden gebruikt, inclusief hoogvermogen elektronica, elektronische vertoningen, touchscreens en zelfs zonnecellen waarin licht door het apparaat moet gaan, " zei Bharat Jalan, een professor in chemische technologie en materiaalwetenschappen aan de Universiteit van Minnesota en de hoofdonderzoeker van het onderzoek.

Momenteel, de meeste transparante geleiders in onze elektronica gebruiken een chemisch element dat indium wordt genoemd. De prijs van indium is de afgelopen jaren enorm gestegen, wat aanzienlijk heeft bijgedragen aan de kosten van de huidige weergavetechnologie. Als resultaat, er is enorm veel moeite gedaan om alternatieve materialen te vinden die ook werken, of nog beter, dan op indium gebaseerde transparante geleiders.

In dit onderzoek, onderzoekers een oplossing gevonden. Ze ontwikkelden een nieuwe transparante geleidende dunne film met behulp van een nieuwe synthesemethode, waarin ze een dunne BaSnO3-film groeiden (een combinatie van barium, tin en zuurstof, bariumstannaat genoemd), maar verving de elementaire tinbron door een chemische voorloper van tin. De chemische voorloper van tin heeft unieke, radicale eigenschappen die de chemische reactiviteit verhoogden en het metaaloxidevormingsproces aanzienlijk verbeterden. Zowel barium als tin zijn aanzienlijk goedkoper dan indium en zijn ruimschoots beschikbaar.

"We waren behoorlijk verrast over hoe goed deze onconventionele aanpak werkte, de allereerste keer dat we de chemische tin-precursor gebruikten, " zei Abhinav Prakash, student chemische technologie en materiaalwetenschappen van de Universiteit van Minnesota, de eerste auteur van het artikel. "Het was een groot risico, maar het was een grote doorbraak voor ons."

Jalan en Prakash zeiden dat dit nieuwe proces hen in staat stelde om dit materiaal te maken met ongekende controle over de dikte, samenstelling, en defectconcentratie en dat dit proces zeer geschikt zou moeten zijn voor een aantal andere materiaalsystemen waar het element moeilijk te oxideren is. Het nieuwe proces is ook reproduceerbaar en schaalbaar.

Ze voegden er verder aan toe dat het de structureel superieure kwaliteit was met verbeterde defectconcentratie waardoor ze een hoge geleidbaarheid in het materiaal konden ontdekken. Ze zeiden dat de volgende stap is om door te gaan met het verminderen van de defecten op atomaire schaal.

"Ook al heeft dit materiaal de hoogste geleidbaarheid binnen dezelfde materiaalklasse, daarnaast is er nog veel ruimte voor verbetering, tot het uitstekende potentieel voor het ontdekken van nieuwe fysica als we de defecten verminderen. Dat is ons volgende doel, ' zei Jalan.