國外發(fā)現(xiàn)新透明導(dǎo)電材料 或大幅降低手機(jī)成本

來自賓州州立大學(xué)材料研究中心的消息顯示，近日，賓州州立大學(xué)的材料科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種新的透明導(dǎo)電材料，可以使大屏幕顯示器，智能窗，觸摸屏和太陽能電池更加高效和廉價(jià)。近 日一篇刊發(fā)于《自然-材料》的文章中，材料科學(xué)與工程專業(yè)助理教授，羅馬·恩格爾-赫伯特和他的團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一個(gè)新的材料設(shè)計(jì)策略。在這項(xiàng)工作中，他們沒有使用傳統(tǒng)寬禁帶半導(dǎo)體，比如銦錫氧化物或者氧化鋅，而是使用了兩種不同尋常的金屬薄膜，釩酸鍶和釩酸鈣(10納米厚)。

這兩種材料都屬于強(qiáng)關(guān)聯(lián)金屬，電子在強(qiáng)關(guān)聯(lián)金屬中表現(xiàn)出類似于“液體”的性質(zhì)。在常規(guī)金屬，如銅，金，鋁或者銀中，電子大多表現(xiàn)出類似于“氣體”的性質(zhì)。常規(guī)金屬一般表現(xiàn)出高反射和高吸收的特性。在文章中，作者解釋為什么強(qiáng)關(guān)聯(lián)金屬在保持金屬高導(dǎo)電性的同時(shí)，光學(xué)性質(zhì)與常規(guī)金屬相比有著極大的提升。

西北大學(xué)催化及表面科學(xué)研究中心主任肯尼斯·珀佩爾邁爾教授和西北大學(xué)理論材料學(xué)詹姆斯·龍迪內(nèi)利教授高度評(píng)價(jià)了這項(xiàng)工作，他們認(rèn)為張和恩格爾-赫伯特的文章成功地對(duì)自1977年由香農(nóng)首次提出以摻雜半導(dǎo)體來設(shè)計(jì)透明導(dǎo)電材料的原理后被人們長(zhǎng)期遵循的這種思路進(jìn)行了挑戰(zhàn);并且從實(shí)驗(yàn)和理論上證明了本征強(qiáng)關(guān)聯(lián)金屬也可以被用作為透明導(dǎo)電材料。

“通過改變電子的有效質(zhì)量，我們使金屬變得更加透明，”恩格爾-赫伯特說。 “我們選擇一種電子間相互作用大于其動(dòng)能的材料。由于電子強(qiáng)關(guān)聯(lián)作用，電子能“感覺”到彼此，從而使其性質(zhì)類似于“液體”而不是沒有相互作用的“氣體”。這種電子“液體”仍然非常導(dǎo)電，但是可見光波段的反射卻大大降低，從而提高了透明度。

張磊是這篇《自然-材料》的第一作者，同時(shí)也是恩格爾-赫伯特研究小組的博士研究生。張是第一個(gè)意識(shí)到這個(gè)發(fā)現(xiàn)的。 “在加入研究小組之前，我作為工藝整合工程師在硅谷工作過兩年。許多公司甚至是初創(chuàng)公司，都在努力地優(yōu)化銦錫氧化物，并尋找其潛在的替代品。然而通過在同類材料中做優(yōu)化和改進(jìn)得到的提升空間十分有限。”張說。“當(dāng)我們做了相關(guān)電氣測(cè)量后，我知道了強(qiáng)關(guān)聯(lián)金屬將材料將會(huì)是銦錫氧化物非?？赡艿奶娲?。”

目前銦售價(jià)大約是每公斤 750美元，而釩酸鍶(鈣)的組成元素在地殼中豐度大得多。釩的售價(jià)為大約是每公斤 25美元，而鈣鍶比釩更為廉價(jià)。“強(qiáng)關(guān)聯(lián)金屬薄膜與銦錫氧化物薄膜的結(jié)構(gòu)相似。從我們的理解來看，釩酸鍶(鈣)完全可以使用相同的制造設(shè)備生產(chǎn)。”恩格爾 - 赫伯特說。如果按照這個(gè)價(jià)格計(jì)算，使用釩酸鍶則可以將成本降低數(shù)十倍。

傳統(tǒng)的透明導(dǎo)材料，銦錫氧化物，在過去幾十年里一直占據(jù)市場(chǎng)主導(dǎo)地位，擁有百分之九十以上的顯示器市場(chǎng)份額。然而過去十年中，銦價(jià)格急劇上升，顯示器和觸摸屏模塊已經(jīng)占據(jù)移動(dòng)設(shè)備百分之四十的生產(chǎn)成本。

長(zhǎng)期以來，內(nèi)存芯片和中央處理器遵循摩爾定律，變得越來越便宜。然而，智能手機(jī)和平板顯示器因?yàn)槌叽缧?yīng)，變得越來越昂貴。制造商一直在尋找銦錫氧化物可能的替代材料，但到目前為止，沒有任何材料可以在光學(xué)透明性，導(dǎo)電性和易于制造上與之娉美，而釩酸鍶(鈣)或許將成為一個(gè)很好的替代品。