Нова теорија која објашњава прозирност металних оксида - Институт за науку о материјаима Барселона

 

Колекција металних плочица стронцијума и ванадијум-оксида (SrBO3) све веће дебљине.

Електрони неких металних оксида због велике ефективне масе у спрези са јонском решетком материјала не могу да прате електрично поље светлости и пропуштају га кроз материјал. Прозирни и проводљиви материјали користе се у екранима осетљивим на додир паметних телефона као и на соларним панелима који служе за фотонапонску енергију.

Истраживачи са Института за науку о материјалима у Барселони (ICMAB-CSIC) предлажу нову теорију која објашњава прозирност металних оксида, који се користе на екранима осетљивих на додир паметних телефона и таблета, као и на соларним ћелијама које се користе у фотонапонској енергији. Научници истичу да је ефективна маса електрона у овим врстама материјала велика због стварања поларона или спрега између електрона у покрету и јонске решетке материјала која је изобличена око њега. Ови електрони не могу брзо да осцилују док прате електрично поље светлости те га пропуштају уместо да га рефлектују. До сада је прихваћена теорија која објашњавала ову транспарентност указујући на интеракције између самих електрона. Студија је објављена у часопису „Advanced Science“.

Материјали су генерално прозирни за видљиву светлост у ситуацији када материјал не може да апсорбује светлосне фотоне па они пролазе кроз њега, а да их при том не прекида интеракција са електронима. Присуство слободних наелектрисања (електрона) је основна карактеристика метала који су по природи проводници. У тим материјалима  - електрони под утицајем електричног поља светлости - су присиљени да осцилују и зраче светлост истом фреквенцијом као и светлост коју примају. То значи да метали теже да сијају, јер одражавају светлост која допире до њих. Поред тога, ово их чини непрозирним, јер светлост не пролази кроз њих. Међутим, у неким материјалима су електрони тежи и не могу тако брзо да прате осцилације изазване електричним пољем светлости и не могу га одбити, већ га пропуштају кроз материјал без интеракције;

Тражење алтернатива

Екрани осетљиви на додир у паметним телефонима и таблетима направљени су од прозирног и проводљивог материјала. Већина их је направљена од индијум калај оксида (ITO), материјала који је полупроводник. Овај материјал се такође користи у соларним панелима, ЛЕД-диодама, LED или OLED дисплејима са течним кристалима, па чак и у облогама ветробранских стакала авиона. Али индијум је врло редак метал. Заправо, с великом производњом екрана осетљивих на додир и ширењем фотонапонске енергије, процењује се да ће нестати пре 2050. Отуда и важност проналаска замене. Истраживачи из ICMAB-CSIC проучавали су танке филмове металног оксида стронцијума и ванадијум оксида. Оно што су открили је да су танки слојеви овог металног материјала, зачудо, прозирни, нешто што би морало бити повезано са великом ефективном масом његових слободних електрона.

Руковање провидном ламелом стронцијума и ванадијум оксида SrVO3, дебљине само неколико нанометара.

"Мислимо да је повећање ефективне масе електрона последица њихове спреге са кристалном решетком. Електрони стронцијума и ванадијум оксида и, уопште, металних оксида, крећу се у матрици јона (позитивних и негативних) . Ова решетка се деформише са покретним електроном и ово изобличење се креће са њим. Било би попут електрона обученог у изобличење решетке која се креће кроз материјал. Ова спрега између електрона и решетке назива се поларон и тежа је од слободног електрона, па је ефективна маса електрона већа, што би објаснило прозирност материјала видљивој светлости, јер не може да прати осцилације електричног светлосног поља и пушта га да прође “, објашњава Џозеф Фонтуберта (Josep Fontcuberta), истраживач CSIC-а на ICMAB-CSIC и вођа ове студије.

Проф. Фонтуберта држи предавање

Овај нови модел раскида са до сада успостављеном парадигмом на пољу физике кондензоване материје; Прихваћене су Кулонове интеракције између електрона да би се регулисале особине металних оксида. Уместо тога, ова нова теорија предлаже да интеракција између електрона и јонске решетке игра пресудну улогу. 

Студија садржи свеобухватну и невиђену анализу неких електричних и оптичких својстава која су описана полароновим сценаријем. "У претходним студијама се видело да постоји веза, али она никада није детаљно анализирана. Штавише, осим провере теорије у стронцијуму и ванадијум оксиду, анализирана је и у другим металним оксидима и у неким допираним изолаторима , и утврђено је да су њихова предвиђања тачна “, објашњава Фонтуберта.