用于智能手机、平板电脑和电视屏幕的透明金属薄膜

   日期:2020-03-26     浏览:14    评论:0    
核心提示:用于智能手机、平板电脑和电视屏幕的透明金属薄膜宾夕法尼亚州立大学图中显示了钒酸锶(橙色)和钒酸钙(蓝色)的晶体结构。红点是氧

用于智能手机、平板电脑和电视屏幕的透明金属薄膜
宾夕法尼亚州立大学

图中显示了钒酸锶(橙色)和钒酸钙(蓝色)的晶体结构。红点是氧原子排列在8八面体中,围绕着单个的锶或钙原子。在每个八面体内部都可以看到钒原子。来源:张磊,宾夕法尼亚州立大学
据发现它的宾夕法尼亚州立大学材料科学家和工程师称,一种高度透明和导电的新材料可以使大屏幕显示器、智能窗户、甚至触摸屏和太阳能电池更便宜和高效。


氧化铟锡是一种透明导体,目前用于90%以上的显示器市场,在过去的60年里,它一直是占主导地位的材料。然而,在过去的十年里,铟的价格急剧上涨。显示屏和触摸屏模块已经成为智能手机和平板电脑的主要成本驱动因素,占总成本的近40%。内存芯片和处理器越来越便宜,而显示器一代比一代贵。制造商们一直在寻找一种可能的ITO替代物,但到目前为止,还没有一种材料能与ITO的光学透明性、导电性和制造便利性相匹配。

由材料科学与工程助理教授Roman Engel-Herbert领导的团队今天(12月15日)在《自然材料》在线版上报道了一种新的设计策略,从不同的角度解决了这个问题。研究人员使用了10纳米的薄膜,这种薄膜是一种不同寻常的被称为相关金属的材料,其中电子像液体一样流动。而在大多数传统金属中,如铜、金、铝或银,电子像气体一样流动,而在相关金属中,如钒酸锶和钒酸钙,电子像液体一样流动。根据研究人员的说法,这种电子流产生了高的光学透明性和高的类金属电导率。

恩格尔-赫伯特说:“我们正试图通过改变金属电子的有效质量使其透明。”“我们选择的材料中,带负电荷的电子之间的静电相互作用要比它们的动能大得多。由于这种强烈的电子关联效应,电子彼此“感觉”,表现得像液体,而不是没有相互作用的粒子构成的气体。这种电子液体仍然具有很高的导电性,但当你照射它时,它的反射性就会减弱,因此会变得透明得多。”

 

为了更好地理解他们是如何在透明性和导电性之间取得这种微妙的平衡,Engel-Herbert和他的团队求助于材料理论专家,罗格斯大学的Karin Rabe教授。

相关金属钒酸锶(左边两个方块)和钒酸钙(右边两个方块)的样品,中间有两个未涂覆的方块。来源:张磊,宾夕法尼亚州立大学
恩格尔-赫伯特说:“我们意识到,我们需要她的帮助来确定钒酸锶中这种电子液体的‘液体’是多少。”

拉贝帮助宾夕法尼亚州立大学的研究小组把他们需要的所有理论和数学拼图拼合在一起,以相关金属的形式构建透明导体。现在他们了解了这一发现背后的基本机制,宾夕法尼亚州立大学的研究人员相信他们会发现许多其他相关的金属,比如钒酸锶和钒酸钙。

《自然材料》论文的第一作者、恩格尔-赫伯特研究小组的研究生张磊是第一个认识到这一发现的人。

“我来自硅谷,在加入这个团队之前,我在那里做了两年的工程师,”张说。“我知道有很多公司在努力优化ITO材料,寻找其他可能的替代品,但他们已经研究了几十年,没有多少改进的空间。当我们对相关金属进行电子测量时,我知道我们得到了比标准ITO更好的结果。”

目前,铟的价格约为每公斤750美元,而钒酸锶和钒酸钙是由地壳中含量高几个数量级的元素构成的。钒的售价约为每公斤25美元,不到铟成本的5%,而锶甚至比钒更便宜。

恩格尔-赫伯特说:“与ITO相比,我们的相关金属工作得非常好。”“现在的问题是如何将这些新材料应用到大规模的制造过程中。根据我们目前的了解,在目前工业上使用的设备中,没有理由不能用钒酸锶代替ITO。”

除了显示技术,Engel-Herbert和他的团队对将他们的新材料与一种非常有前途的太阳能电池结合在一起感到兴奋,这种电池使用了一种被称为有机pero的材料

 
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