Neue Theorie vorgeschlagen, um die Transparenz von Metalloxiden zu erklären

Forscher des Instituts für Materialwissenschaften in Barcelona (ICMAB-CSIC) schlagen eine neue Theorie vor, um die Transparenz von Metalloxiden zu erklären, die in Touchscreens von Smartphones und Tablets sowie in Solarzellen für photovoltaische Energie verwendet werden. Wissenschaftler weisen darauf hin, dass die effektive Masse von Elektronen in dieser Art von Materialien aufgrund der Bildung von Polaronen oder Kopplungen zwischen den sich bewegenden Elektronen und dem Ionengitter des Materials, das um sie herum verzerrt ist, groß ist. Diese Elektronen können dem elektrischen Feld des Lichts nicht schnell schwingen und lassen es passieren, anstatt es zu reflektieren. Bisher deutete die akzeptierte Theorie zur Erklärung dieser Transparenz auf die Wechselwirkungen zwischen den Elektronen selbst hin. Die Studie wurde in der Zeitschrift veröffentlicht Fortgeschrittene Wissenschaft.

Materialien sind im Allgemeinen für sichtbares Licht transparent, wenn Lichtphotonen nicht vom Material absorbiert werden können und es passieren, ohne durch Wechselwirkungen mit Elektronen unterbrochen zu werden. Das Vorhandensein freier Ladungen (Elektronen) ist eine grundlegende Eigenschaft von Metallen, die von Natur aus Leiter sind. In diesen Materialien werden die Elektronen unter dem Einfluss des elektrischen Lichtfeldes zu Schwingungen gezwungen und strahlen Licht mit der gleichen Frequenz wie das empfangene Licht aus. Das bedeutet, dass Metalle zum Glänzen neigen, weil sie das auf sie treffende Licht reflektieren. Außerdem werden sie dadurch undurchsichtig, da kein Licht durch sie dringt. In einigen Materialien sind Elektronen schwerer und können den durch das elektrische Feld des Lichts verursachten Schwingungen nicht so schnell folgen und sie nicht reflektieren, sondern ohne Wechselwirkung durch das Material passieren lassen; das Material ist dann transparent.

Nach Alternativen suchen

Touchscreens in Smartphones und Tablets bestehen aus einem transparenten und leitfähigen Material. Die meisten von ihnen bestehen aus Indium-Zinn-Oxid (ITO), einem Material, das ein Halbleiter ist. Dieses Material wird auch in Solarmodulen, in LEDs, in LED- oder OLED-Flüssigkristallanzeigen und sogar in der Beschichtung von Flugzeugwindschutzscheiben verwendet. Aber Indium ist ein sehr seltenes Metall. Angesichts der hohen Produktion von Touchscreens und des Ausbaus der Photovoltaik wird sogar davon ausgegangen, dass dies noch vor 2050 der Fall sein wird. Daher ist es wichtig, Ersatz zu finden. Forscher am ICMAB-CSIC haben Dünnfilme aus den Metalloxiden Strontium und Vanadiumoxid untersucht. Was sie herausgefunden haben, ist, dass dünne Schichten dieses metallischen Materials überraschenderweise transparent sind, was mit einer großen effektiven Masse seiner freien Elektronen in Verbindung gebracht werden müsste.

„Wir denken, dass die Zunahme der effektiven Masse der Elektronen auf ihre Kopplung mit dem Kristallgitter zurückzuführen ist. Die Elektronen von Strontium- und Vanadiumoxid und allgemein von Metalloxiden bewegen sich in einer Matrix aus Ionen (positiv und negativ). Dieses Gitter verformt sich mit dem sich bewegenden Elektron und diese Verzerrung bewegt sich mit ihm. Es wäre wie ein Elektron, das in eine Verzerrung des Gitters gekleidet ist und sich durch das Material bewegt. Diese Kopplung zwischen dem Elektron und dem Gitter wird als Polaron bezeichnet und ist schwerer als das freie Elektron, daher ist die effektive Masse des Elektrons größer, was die Transparenz des Materials für sichtbares Licht erklären würde, da es den Schwingungen des nicht folgen kann elektrisches Lichtfeld und lässt es passieren“, erklärt Josep Fontcuberta, CSIC-Forscher am ICMAB-CSIC und Leiter dieser Studie.

Dieses neue Modell bricht mit dem bisher etablierten Paradigma auf dem Gebiet der Physik der kondensierten Materie; Es wurde angenommen, dass Coulomb-Wechselwirkungen zwischen Elektronen die Eigenschaften von Metalloxiden bestimmen. Stattdessen schlägt diese neue Theorie vor, dass die Wechselwirkung zwischen Elektronen und dem Ionengitter eine entscheidende Rolle spielt.

Die Studie enthält eine umfassende und beispiellose Analyse einiger elektrischer und optischer Eigenschaften, die durch das Polaron-Szenario beschrieben werden. „In früheren Studien hatte man gesehen, dass es einen Zusammenhang geben könnte, aber es wurde nie eingehend analysiert. Abgesehen von der Überprüfung der Theorie in Strontium- und Vanadiumoxid wurde es außerdem in anderen Metalloxiden und in einigen dotierten Isolatoren analysiert, und ihre Vorhersagen haben sich als wahr herausgestellt“, erklärt Fontcuberta.

„Diese Studie ist unter anderem das Ergebnis einer sehr umfassenden Charakterisierung der elektrischen und optischen Eigenschaften von Dutzenden dünner Schichten des betreffenden Materials. Es ist auch das Ergebnis einer sehr sorgfältigen Analyse der Daten, die einige Diskrepanzen mit vor langer Zeit etablierten Szenarien und Theorien aufgedeckt hat. Möglich wurde dies durch die geduldige und akribische Arbeit von Mathieu Mirjolet, ICMAB-Promotionsforscher. Ich weiß nicht, ob es die relevanteste Entdeckung meiner Karriere war, da ich nicht weiß, was noch kommen wird, aber ich kann Ihnen versichern, dass es eine der besten Möglichkeiten ist, meine echte Freude am Betrachten der Wissenschaft und des Lebens zu veranschaulichen aus einem anderen Blickwinkel“, fügt Fontcuberta hinzu.

Referenz: „Elektron-Phonon-Kopplung und Elektron-Phonon-Streuung in SrVO₃“ von Mathieu Mirjolet, Francisco Rivadulla, Premysl Marsik, Vladislav Borisov, Roser Valentí und Josep Fontcuberta, 19. Juni 2021, Fortgeschrittene Wissenschaft.
DOI: 10.1002/adv.202004207

Diese Ergebnisse stammen aus einer Zusammenarbeit zwischen den ICMAB-Forschern Josep Fontcuberta und Mathieu Mirjolet von der MULFOX-Gruppe mit Forschern der Universität von Santiago de Compostela (Spanien), der Universität Freiburg (Deutschland) und der Universität Frankfurt (Deutschland).