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钙锶可以被用于智能手机 平板电视的透明导电金属

2015-12-22 15:06
吃瓜天狼
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  近日,宾州州立大学的材料科学家发现了一种新的透明导电材料,可以使大屏幕显示器,智能窗,触摸屏和太阳能电池更加高效和廉价。传统的透明导材料,铟锡氧化物,在过去几十年里一直占据市场主导地位,拥有百分之九十以上的显示器市场份额。然而过去十年中,铟价格急剧上升,显示器和触摸屏模块已经占据移动设备百分之四十的生产成本。长期以来,内存芯片和中央处理器遵循摩尔定律,变得越来越便宜。然而,智能手机和平板显示器因为尺寸效应,变得越来越昂贵。制造商一直在寻找铟锡氧化物可能的替代材料,但到目前为止,没有任何材料可以在光学透明性,导电性和易于制造上与之娉美。

  在一篇刊发于《自然-材料》的文章中,材料科学与工程专业助理教授,罗马·恩格尔-赫伯特和他的团队报道了一个新的材料设计策略。他们没有使用传统宽禁带半导体,比如铟锡氧化物或者氧化锌,而是使用了两种不同寻常的金属薄膜,钒酸锶和钒酸钙(10纳米厚)。这两种材料都属于强关联金属,电子在强关联金属中表现出类似于“液体”的性质。在常规金属,如铜,金,铝或者银中,电子大多表现出类似于“气体”的性质。常规金属一般表现出高反射和高吸收的特性。在文章中,作者解释为什么强关联金属在保持金属高导电性的同时,光学性质与常规金属相比有着极大的提升。

  同时,《自然-材料》编辑特邀美国化学学会无机化学及固体化学分会主席,西北大学催化及表面科学研究中心主任肯尼斯·珀佩尔迈尔教授,以及西北大学理论材料学家詹姆斯·龙迪内利教授,为文章撰写新闻稿,并发表在同期杂志的《新闻与展望》部分。肯尼斯·珀佩尔迈尔教授和詹姆斯·龙迪内利教授高度评价了这项工作,他们认为张和恩格尔-赫伯特的文章成功地对自1977年由香农首次提出以掺杂半导体来设计透明导电材料的原理后被人们长期遵循的这种思路进行了挑战;并且从实验和理论上证明了本征强关联金属也可以被用作为透明导电材料。

  “通过改变电子的有效质量,我们使金属变得更加透明,”恩格尔-赫伯特说:“我们选择一种电子间相互作用大于其动能的材料。由于电子强关联作用,电子能“感觉”到彼此,从而使其性质类似于“液体”而不是没有相互作用的“气体”。这种电子“液体”仍然非常导电,但是可见光波段的反射却大大降低,从而提高了透明度。“为了更好地理解强关联金属透明性和导电性之间微妙的平衡,我们与美国科学促进会院士,罗格斯大学材料理论专家卡琳·拉贝教授合作。“我们需要她团队的帮助来定量化计算这种材料有多么地类似于“液体”恩格尔-赫伯特说。拉贝给予了宾州州立大学研究团队材料理论解释上的支持。研究人员相信他们会找到很多像钒酸锶(钙)的材料。

  张磊是这篇《自然-材料》的第一作者,同时也是恩格尔-赫伯特研究小组的博士研究生。张磊是第一个意识到这个发现的。“在加入研究小组之前,我作为工艺整合工程师在硅谷工作过两年。许多公司甚至是初创公司,都在努力地优化铟锡氧化物,并寻找其潜在的替代品。然而通过在同类材料中做优化和改进得到的提升空间十分有限。”张磊说。“当我们做了相关电气测量后,我知道了强关联金属将材料将会是铟锡氧化物非常可能的替代品。”目前铟售价大约是每公斤750美元,而钒酸锶(钙)的组成元素在地壳中丰度大得多。钒的售价为大约是每公斤25美元,而钙锶比钒更为廉价。“强关联金属薄膜与铟锡氧化物薄膜的结构相似。从我们的理解来看,钒酸锶(钙)完全可以使用相同的制造设备生产。”恩格尔-赫伯特说。

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