中国留美博士发现新透明导电材料 引世界关注

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位於美國賓夕法尼亞州的賓州州立大學,是一所公立大學。在賓夕法尼亞州全境有24個校區,其中最大的也是主校區為University Park。賓州州立大學的University Park校區在全美公立大學中排名前十五,並且被譽為『公立常春藤』。

武汉“85后”留美博士张磊、以第一作者身份,于12月14日在线发表在《自然-材料》杂志的最新研究成果——一种新的透明导电材料,吸引世界关 注。该项研究成果可以使大屏幕显示器、智能窗、触摸屏和太阳能电池更加高效和廉价,成功地对自1977年由香农首次提出,以掺杂半导体来设计透明导电材料 的原理,后被人们长期遵循的这种思路进行了挑战。

传统的透明导材料——铟锡氧化物,在过去几十年里一直占据市场主导地位,拥有90%以上的显示器市场份额。然而过去10年中,铟价格急剧上升, 显示器和触摸屏模块已经占据移动设备40%的生产成本。长期以来,内存芯片和中央处理器遵循摩尔定律,变得越来越便宜,然而智能手机和平板显示器因为尺寸 效应,变得越来越昂贵。制造商一直在寻找铟锡氧化物可能的替代材料,但一直没有发现有其它材料可以在光学透明性、导电性和易于制造上与之媲美。不久前,张 磊所在的美国宾州州立大学“恩格尔-赫伯特研究小组”提出了一个新的材料设计策略。

在新的材料设计中,没有使用传统宽禁带半导体,比如铟锡氧化物或氧化锌,而是使用了两种不同寻常的10纳米厚金属薄膜——钒酸锶和钒酸钙。“这 两种材料都属于强关联金属,电子在强关联金属中表现出类似于‘液体’的性质,而在常规金属,如铜、金、铝、银中,电子大多表现出类似于‘气体’的性质,常 规金属一般表现出高反射和高吸收的特性。”在文章中,作者解释为什么强关联金属在保持金属高导电性的同时,光学性质与常规金属相比有着极大的提升。

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“通过改变电子的有效质量,我们使金属变得更加透明。”宾州州立大学材料科学与工程专业助理教授恩格尔-赫伯特介绍:他们选择了一种电子间相互 作用大于其动能的材料,由于电子强关联作用,电子能“感觉”到彼此,从而使其性质类似于“液体”,而不是没有相互作用的“气体”。这种电子“液体”仍然非 常导电,但是可见光波段的反射却大大降低,从而提高了透明度。目前,该研究小组正在与美国科学促进会院士、罗格斯大学材料理论专家卡琳·拉贝教授合作,研 究人员相信他们会找到很多像钒酸锶(钙)的材料。

新的材料设计策略是张磊第一个意识到并发现的,也是该发表文章的第一作者。张磊于1985年出生于武汉,曾就读于武汉大学,目前为“恩格尔-赫伯特研究小组”的博士研究生,在加入研究小组之前,他曾作为工艺整合工程师在美国硅谷工作过两年。

“许多公司甚至是初创公司,都在努力地优化铟锡氧化物,并寻找其潜在的替代品。然而通过在同类材料中做优化和改进,得到的提升空间十分有限。” 张磊介绍,做了相关电气测量后,自己发现强关联金属材料将会是铟锡氧化物非常可能的替代品。目前,铟售价大约是每公斤750美元,而钒酸锶(钙)的组成元 素在地壳中蕴藏量更多;钒的售价为大约是每公斤25美元,而钙锶比钒更为廉价。“强关联金属薄膜与铟锡氧化物薄膜的结构相似。从我们的理解来看,钒酸锶 (钙)完全可以使用相同的制造设备生产。”恩格尔-赫伯特表示。

同时,《自然-材料》编辑特邀美国化学学会无机化学及固体化学分会主席、美国西北大学催化及表面科学研究中心主任肯尼斯·珀佩尔迈尔教授、西北 大学理论材料学家詹姆斯·龙迪内利教授为文章撰写新闻稿,并发表在同期杂志的《新闻与展望》部分。肯尼斯·珀佩尔迈尔教授和詹姆斯·龙迪内利教授高度评价 了这项工作,他们认为张磊和恩格尔-赫伯特的文章,成功地对自1977年由香农首次提出,以掺杂半导体来设计透明导电材料的原理,后被人们长期遵循的这种 思路进行了挑战,并且从实验和理论上证明了本征强关联金属也可以被用作为透明导电材料。

2015年12月18日 07:23:39 来源: 荆楚网

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