Прозрачные электроды из ванадата стронция в 30 раз дешевле, чем из ITO
Новый материал, совмещающий в себе высокие прозрачность и электропроводность, найдет применение в крупноформатных дисплеях, умных окнах, более дешёвых и эффективных солнечных батареях, утверждают создававшие его материаловеды и инженеры Пенсильванского университета (Penn State).
Потребности индустрии в прозрачных электродах вот уже 60 лет практически полностью перекрывает ITO (Indium tin oxide). Но последнее десятилетие цены на индий стремительно растут. Дисплеи и сенсорные модули превратились в самую дорогую часть смартфонов и планшетов — на них уже приходится почти 40% себестоимости таких устройств. Как результат, производители активизировали поиски доступной замены ITO, однако до сих пор не было найдено материала, способного предложить сопоставимое с ITO сочетание прозрачности, проводимости и простоты изготовления.
В статье, 15 декабря появившейся онлайн в Nature Materials, команда Penn State, под руководством Романа Энгель-Херберта (Roman Engel-Herbert) представила необычный подход к решению этой проблемы. Ученые использовали тонкие (10 нм) пленки из нового класса так называемых коррелированных металлов.
Если в большинстве известных металлов электроны можно уподобить газу, то в коррелированных, например, в ванадатах стронция и кальция, они ведут себя как жидкость. Авторы статьи объяснили в ней, почему такие металлы, несмотря на высокую электропроводность, являются почти полностью прозрачными.
«Мы пытаемся сделать металлы прозрачными путем изменения эффективной массы их электронов, — говорит Энгель-Херберт. — Для этого мы выбираем материалы, в которых электростатическое взаимодействие между отрицательно заряженными электронами очень велико по сравнению с кинетической энергией последних. В результате сильного эффекта корреляции, электроны „чувствуют“ друг друга и ведут себя как жидкость, а не как газ невзаимодействующих частиц. Это электронная жидкость все еще обладает высокой проводимостью, но при её освещении становится менее отражающей, то есть, гораздо более прозрачной».
«Наши коррелированные металлы в сравнении с ITO работают очень хорошо. Теперь вопрос в том, как внедрить эти новые материалы в крупномасштабный производственный процесс. Исходя из наших сегодняшних знаний, нет причин, по которым ванадат стронция не мог бы заменить ITO в используемом в настоящее время промышленном оборудовании», — считает Энгель-Херберт.
Цена индия сегодня составляет примерно $750 за килограмм, тогда как ванадий стоит в тридцать раз меньше, а стронций даже дешевле ванадия.
Помимо использования в дисплеях, заманчивые перспективы сулит применение ванадата стронция в перовскитных солнечных батареях. Этот материал, будучи также перовскитом, имеет совместимую структуру, что позволит получать дешёвые и эффективные солнечные элементы.