新透明導電材料被發現：手機成本有望暴降

12月22日消息，來自賓州州立大學材料研究中心的消息顯示，近日，賓州州立大學的材料科學家發現了一種新的透明導電材料，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。近日一篇刊發於《自然-材料》的文章中，材料科學與工程專業助...12月22日消息，來自賓州州立大學材料研究中心的消息顯示，近日，賓州州立大學的材料科學家發現了一種新的透明導電材料，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。

近日一篇刊發於《自然-材料》的文章中，材料科學與工程專業助理教授，羅馬·恩格爾-赫伯特和他的團隊報道了一個新的材料設計策略。在這項工作中，他們沒有使用傳統寬禁帶半導體，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）。
這兩種材料都屬於強關聯金屬，電子在強關聯金屬中表現出類似於「液體」的性質。在常規金屬，如銅，金，鋁或者銀中，電子大多表現出類似於「氣體」的性質。常規金屬一般表現出高反射和高吸收的特性。在文章中，作者解釋為什麼強關聯金屬在保持金屬高導電性的同時，光學性質與常規金屬相比有着極大的提升。
西北大學催化及表面科學研究中心主任肯尼斯·珀佩爾邁爾教授和西北大學理論材料學詹姆斯·龍迪內利教授高度評價了這項工作，他們認為張和恩格爾-赫伯特的文章成功地對自1977年由香農首次提出以摻雜半導體來設計透明導電材料的原理后被人們長期遵循的這種思路進行了挑戰；並且從實驗和理論上證明了本征強關聯金屬也可以被用作為透明導電材料。
「通過改變電子的有效質量，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於其動能的材料。由於電子強關聯作用，電子能「感覺」到彼此，從而使其性質類似於「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，同時也是恩格爾-赫伯特研究小組的博士研究生。張是第一個意識到這個發現的。「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公司，都在努力地優化銦錫氧化物，並尋找其潛在的替代品。然而通過在同類材料中做優化和改進得到的提升空間十分有限。」張說。「當我們做了相關電氣測量后，我知道了強關聯金屬將材料將會是銦錫氧化物非常可能的替代品。」
目前銦售價大約是每公斤750美元，而釩酸鍶（鈣）的組成元素在地殼中丰度大得多。釩的售價為大約是每公斤25美元，而鈣鍶比釩更為廉價。「強關聯金屬薄膜與銦錫氧化物薄膜的結構相似。從我們的理解來看，釩酸鍶（鈣）完全可以使用相同的製造設備生產。」恩格爾-赫伯特說。如果按照這個價格計算，使用釩酸鍶則可以將成本降低數十倍。
傳統的透明導材料，銦錫氧化物，在過去幾十年裡一直佔據市場主導地位，擁有百分之九十以上的顯示器市場份額。然而過去十年中，銦價格急劇上升，顯示器和觸摸屏模塊已經佔據移動設備百分之四十的生產成本。
長期以來，內存芯片和中央處理器遵循摩爾定律，變得越來越便宜。然而，智能手機和平板顯示器因為尺寸效應，變得越來越昂貴。製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透明性，導電性和易於製造上與之娉美，而釩酸鍶（鈣）或許將成為一個很好的替代品。


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