Els electrons dels òxids metàl·lics, per la seva gran massa en acoblar-se amb la xarxa iònica del material, no poden seguir el camp elèctric de la llum i permeten el seu pas. Els materials transparents i conductors s’empren en les pantalles tàctils dels mòbils i en les plaques solars per a energia fotovoltaica.
Investigadors de l’Institut de Ciencia de Materiales de Barcelona (ICMAB-CSIC), del Consell Superior d’Investigacions Científics (CSIC), proposen una nova teoria per explicar la transparència dels òxids metàl·lics, que s’empren en les pantalles tàctils de mòbils i tauletes i en les plaques utilitzades en l’energia fotovoltaica. Els científics assenyalen que la massa efectiva dels electrons en aquest tipus de materials és gran a causa de la formació de polarons o acoblaments entre els electrons en moviment i la xarxa iònica del material, que es distorsiona al seu voltant. Aquests electrons no poden oscil·lar ràpidament seguint el camp elèctric de la llum i la deixen passar, en comptes de reflectir-la. Fins el moment, la teoria acceptada per explicar aquesta transparència apuntava les interaccions entre els electrons mateixos. L’estudi s’ha publicat a la revista Advanced Science.
Els materials, en general, són transparents a la llum visible quan els fotons de la llum no poden ser absorbits pel material i el travessen sense ser interromputs per interaccions amb els electrons. La presència de càrregues lliures (electrons) és un tret característic en els metalls, que són conductors per naturalesa. En aquests materials, els electrons, sota la influència del camp elèctric de la llum, estan forçats a oscil·lar i irradien llum a la mateixa freqüència que la llum rebuda. Això es tradueix en que els metalls solen brillar, perquè reflecteixen la llum que els arriba. A més, això mateix fa que siguin opacs, ja que la llum no els travessa. En alguns materials, els electrons són més pesats i no poden seguir tan ràpidament les oscil·lacions que provoca el camp elèctric de la llum, i no la poden reflectir, sinó que la deixen passar sense interaccionar: el material és llavors transparent.
Recerca d’alternatives
Les pantalles tàctils dels mòbils i les tauletes estan fetes d’un material transparent i conductor. La majoria són d’òxid d’indi i estany (ITO, per les sigles en anglès), un material que és semiconductor. Aquest material s’aplica també a les plaques solars, en els LED, a les pantalles de cristall líquid LCD o OLED, i fins i tot en els recobriments dels parabrises dels avions. Però l’indi és un metall molt escàs. De fet, amb l’elevada producció de pantalles tàctils i l’expansió de l’energia fotovoltaica, s’estima que s’acabarà abans del 2050. D’aquí la importància de trobar substituts. Els investigadors de l’ICMAB-CSIC han estudiat l’òxid de vanadi i estronci. I el que han comprovat és que capes fines d’aquest material metàl·lic, sorprenentment, són transparents, cosa que hauria d’estar relacionat amb una massa efectiva gran dels electrons lliures gran.
“Pensem que l’augment de la massa efectiva dels electrons es deu al seu acoblament amb la xarxa cristal·lina. Els electrons de l’òxid d’estronci i vanadi i, en general, dels òxids metàl·lics, es mouen en una matriu de ions (positius i negatius). Aquesta xarxa es deforma amb l’electró en moviment i aquesta distorsió es mou amb ell. Seria com un electró vestit amb una distorsió de la xarxa que es mou a través del material. Aquest acoblament entre l’electró i la xarxa es diu polaró i és més pesada que l’electró lliure, així que la massa efectiva de l’electró és més gran, el que explicaria la transparència del material a la llum visible ja que no pot seguir les oscil·lacions de camp elèctric de la llum i la deixa passar”, explica Josep Fontcuberta, investigador del CSIC a l’ICMAB-CSIC i líder d’aquest estudi.
Aquest nou model trenca amb el paradigma establert fins al moment en el camp de la física de la matèria condensada; s’acceptava que les interaccions coulombianas entre els electrons governaven les propietats dels òxids metàl·lics. En canvi, aquesta nova teoria proposa que la interacció entre els electrons i la xarxa d’ions té un paper crucial.
L’estudi conté una anàlisi completa i sense precedents d’algunes de les propietats elèctriques i òptiques que queden descrites amb l’escenari dels polarons. “En estudis anteriors s’havia vist que podia haver-hi una relació, però no s’havia analitzat mai en profunditat. A més, a part de comprovar la teoria en l’òxid d’estany i vanadi, s’ha analitzat en altres òxids metàl·lics i en alguns aïllants dopats, i s’ha comprovat que les prediccions es compleixen “, explica Fontcuberta.
En el treball han participat investigadors de la Universitat de Santiago de Compostel·la, la Universitat de Friburg (Alemanya) i la Universitat de Frankfurt (Alemanya).
Article de referència:
Mathieu Mirjolet, Francisco Rivadulla, Premysl Marsik, Vladislav Borisov, Roser Valentí y Josep Fontcuberta. Electron–Phonon Coupling and Electron–Phonon Scattering in SrVO3. Advanced Science. DOI: 10.1002/advs.202004207
Anna May-ICMAB Comunicació / CSIC Comunicación
L’investigador de l’ICMAB Mathieu Mirjolet treballant en l’equip de deposició per làser pulsat de l’ICMAB. / ICMAB-CSIC