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很少有材料既透明又导电,而符合要求的罕见例子之一——金属氧化物——可能由于之前认为之外的原因而透明。虽然通常的解释涉及材料电子之间的相互作用,但巴塞罗那自治大学的研究人员表示,金属透明所需的条件可能来自称为极化子的准粒子。除了对基础科学很重要之外,这种完全不同的观点还可以帮助开发用于触摸屏和显示器的下一代材料。
目前,大多数智能手机和平板电脑的触摸屏均由氧化铟锡 (ITO) 制成,这种半导体也广泛用于太阳能电池板、LCD 或 OLED 中的 LED 以及飞机挡风玻璃涂层。然而,由于铟的稀缺,ITO 变得越来越昂贵,研究人员正在寻找替代品。
ITO的替代品一种可能的 ITO 替代品是钒锶氧化物 (SrVO 3 ),这是一种过渡金属氧化物,它是金属的,但在制成薄层时会变得透明。SrVO 3等材料中的电子被限制在狭窄的 3 d 轨道中,这增强了它们之间的静电库仑相互作用。这些增强的相互作用被认为会增加电子的有效质量,以至于它们不再与光的电场共振——这意味着光粒子(光子)直接穿过材料,而不是与电子相互作用并被反射。
然而,领导的研究小组何塞普Fontcuberta从巴塞罗那材料科学研究所(ICMAB,CSIC)说,他们SrVO研究3表明了另一种解释。在他们看来,SrVO 3中电子的有效质量很高,不是因为电子本身之间的相互作用,而是因为形成了极化子,极化子是电子和材料离子晶格之间的耦合。当电子穿过材料时,这些耦合会导致电子周围的晶格扭曲,这同样会增加电子的有效质量。
“严重困难”研究人员获得了这样的结果,它们在描述高级科学, 通过分析SrVO的光学和电子特性3层在不同条件下生长的外延膜。“在用‘相关电子’场景描述 SrVO 3的特性时,我们的测量显示了一些严重的困难,”Fontcuberta 告诉物理世界。“出了点问题,迫使我们修改整个画面。”
德国法兰克福大学合作者的初步第一性原理计算支持了该团队的发现,表明载流子-晶格耦合确实在材料的透明度中发挥了重要作用。根据 Fontcuberta 的说法,这一结果可能不仅对金属氧化物具有深远的影响,而且对高温超导体铜酸盐等材料也具有深远的意义。他说,这些其他材料“也可能具有我们观察到的电子-极化子耦合特征”。
展望未来,研究人员表示,他们现在将尝试调整 SrVO 3 中晶格和电子之间的耦合。“我们还将研究扩展到不同的材料,以找出导致电子-晶格耦合占主导地位的机制,而不是电子-电子相关性,而电子-电子相关性应该仍然存在,”Fontcuberta 说。