科学家提出解释金属氧化物透明度的新理论

据外媒报道,一些金属氧化物的电子,由于其与材料的离子晶格结合时具有较大的有效质量,不能跟随光的电场而使其穿过材料。透明和导电的材料被用于智能手机的触摸屏和光伏能源的太阳能板。来自西班牙最高科研理事会下属巴塞罗那材料科学研究所(ICMAB-CSIC)的研究人员提出了一个新的理论来解释金属氧化物的透明度

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     据外媒报道,一些金属氧化物的电子,由于其与材料的离子晶格结合时具有较大的有效质量,不能跟随光的电场而使其穿过材料。透明和导电的材料被用于智能手机的触摸屏和光伏能源的太阳能板。来自西班牙最高科研理事会下属巴塞罗那材料科学研究所(ICMAB-CSIC)的研究人员提出了一个新的理论来解释金属氧化物的透明度,这些材料被用于智能手机和平板电脑的触摸屏,以及用于光伏能源的太阳能电池上。

  科学家们指出,由于运动中的电子与材料的离子晶格之间形成了极化子或耦合,而材料的离子晶格在其周围是扭曲的,因此这类材料中电子的有效质量是很大的。这些电子不能跟随光的电场迅速振荡,让它通过而不是反射它。直到现在,解释这种透明度的公认理论指出了电子本身之间的相互作用。这项研究已经发表在《Advanced Science》杂志上。

  一般来说,当光子不能被材料吸收并通过它而不被电子干扰时,材料对可见光是透明的。自由电荷(电子)的存在是金属的一个基本特征,金属在本质上是导体。在这些材料中,电子在光的电场影响下,被迫振荡,并以与接收光线相同的频率辐射光线。这意味着,金属倾向于发光,因为它们反射到达它们的光。此外,这使它们变得不透明,因为光不能穿过它们。在一些材料中,电子比较重,不能像以前那样快速跟随光的电场引起的振荡,也不能反射光,而是让光通过材料而不发生相互作用;这时材料是透明的。

  寻找替代品

  智能手机和平板电脑的触摸屏是由一种透明的导电材料制成的。它们中的大多数是由氧化铟锡制成的,这种材料是一种半导体。这种材料也被用于太阳能电池板、LED、LED 或 OLED 液晶显示器,甚至用于飞机挡风玻璃的涂层。但铟是一种非常罕见的金属。事实上,随着触摸屏的高产量和光伏能源的扩张,估计它将在 2050 年之前被用完。因此,寻找替代品的重要性。ICMAB-CSIC 的研究人员已经研究了金属氧化物锶和氧化钒的薄膜。他们发现,这种金属材料的薄层竟然是透明的,这必须与它的自由电子的大有效质量有关。

  “我们认为,电子的有效质量的增加是由于它们与晶格的耦合作用。锶和氧化钒的电子,以及一般来说,金属氧化物的电子,在离子(正负)矩阵中移动。这个晶格随着移动的电子而变形,这种变形也随之移动。电子和晶格之间的这种耦合被称为多角体,它比自由电子更重,所以电子的有效质量更大,这将解释材料对可见光的透明度,因为它不能跟随电光场的振荡而让它通过,”ICMAB-CSIC 的研究员、这项研究的负责人 Josep Fontcuberta 解释说。

  这个新模型打破了迄今为止在凝聚态物理学领域建立的范式;电子之间的库仑相互作用被接受为支配金属氧化物的特性。相反,这个新理论提出,电子和离子晶格之间的相互作用起着关键作用。

  该研究包含对极化子场景描述的一些电学和光学特性的全面和前所未有的分析。“在之前的研究中,已经看到可能存在某种关系,但从未对其进行深入分析。此外,除了检查锶和钒氧化物的理论外,还对其他金属氧化物和一些掺杂绝缘体进行了分析,发现他们的预测是正确的,”Fontcuberta 解释说。

  “除其他外,这项研究是对数十个相关材料薄层的电学和光学特性进行非常详尽的表征的结果。这也是对数据进行非常仔细分析的结果,它揭示了与很久以前建立的情景和理论的一些差异。ICMAB 博士前研究员 Mathieu Mirjolet 耐心细致的工作使这成为可能。我不知道这是否是我职业生涯中最相关的发现,因为我不知道接下来会发生什么,但我可以向你保证,这是说明我从另一个角度看待科学和生活的真正乐趣的最佳方式之一。”Fontcuberta 补充道。

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