Un nuevo material que sea altamente transparente y eléctricamente conductor podría hacer que las pantallas grandes, las ventanas inteligentes e incluso las pantallas táctiles y las células solares sean más asequibles y eficientes, de acuerdo con los científicos e ingenieros de materiales de Penn State que han descubierto exactamente ese material.
El óxido de estaño indio ITO, el conductor transparente que ahora se usa en más del 90 por ciento del mercado de pantallas, ha sido el material dominante durante los últimos 60 años. Pero en la última década, el precio del indio ha aumentado dramáticamenteLas pantallas y los módulos de pantalla táctil se han convertido en el principal factor de costo en dispositivos móviles, como teléfonos inteligentes y tabletas, y representan cerca del 40 por ciento del costo.de generación en generación. Los fabricantes han buscado un posible reemplazo de ITO, pero hasta ahora, nada ha igualado la combinación de transparencia óptica, conductividad eléctrica y facilidad de fabricación de ITO.
En un documento que aparece hoy 15 de diciembre en línea en Materiales de la naturaleza , Roman Engel-Herbert, profesor asistente de ciencia e ingeniería de materiales, y su equipo informan sobre una nueva estrategia de diseño que aborda el problema desde un ángulo diferente. Los investigadores usan películas delgadas 10 nanómetros de una clase inusual de materiales -llamados metales correlacionados, en los que los electrones fluyen como un líquido. Mientras que en la mayoría de los metales convencionales, como el cobre, el oro, el aluminio o la plata, los electrones fluyen como un gas, en metales correlacionados, como el vanadato de estroncio y el vanadato de calcio, se muevencomo un líquido. En este artículo, los autores explican por qué estos metales correlacionados muestran una alta transparencia óptica a pesar de su alta conductividad similar a un metal.
"Estamos tratando de hacer que los metales sean transparentes cambiando la masa efectiva de sus electrones", dice Engel-Herbert. "Estamos haciendo esto eligiendo materiales en los que la interacción electrostática entre electrones cargados negativamente es muy grande en comparación con su energía cinéticaComo resultado de este fuerte efecto de correlación de electrones, los electrones se "sienten" entre sí y se comportan como un líquido en lugar de un gas de partículas que no interactúan. Este líquido de electrones sigue siendo altamente conductivo, pero cuando lo ilumina, se vuelvemenos reflexivo, por lo tanto, mucho más transparente "
Para comprender mejor cómo lograron este fino equilibrio entre transparencia y conductividad, recurrieron a una experta en teoría de materiales, la profesora Karin Rabe de la Universidad de Rutgers.
"Nos dimos cuenta de que necesitábamos su ayuda para poner un número sobre cuán 'líquido' es este líquido de electrones en el vanadato de estroncio", dice Engel-Herbert.
Rabe ayudó al equipo de Penn State a reunir todas las piezas de rompecabezas teóricos y matemáticos que necesitaban para construir conductores transparentes en forma de un metal correlacionado. Ahora que comprenden el mecanismo esencial detrás de su descubrimiento, los investigadores de Penn State confían en que lo haránencuentre muchos otros metales correlacionados que se comporten como el vanadato de estroncio y el vanadato de calcio.
Lei Zhang, autor principal del artículo de Nature Materials y estudiante de posgrado en el grupo de Engel-Herbert, fue el primero en reconocer lo que habían descubierto.
"Vengo de Silicon Valley, donde trabajé durante dos años como ingeniero antes de unirme al grupo. Sabía que había muchas empresas que intentaban optimizar esos materiales de ITO y buscaban otros posibles reemplazos, pero habían sido estudiadosdurante muchas décadas y simplemente no había mucho margen de mejora ", dice Zhang." Cuando realizamos las mediciones eléctricas de nuestros metales correlacionados, supe que teníamos algo que se veía realmente bien en comparación con el ITO estándar ".
Actualmente, el indio cuesta alrededor de $ 750 por kilogramo, mientras que el vanadato de estroncio y el vanadato de calcio están hechos de elementos con órdenes de magnitud mayor abundancia en la corteza terrestre. El vanadio se vende por alrededor de $ 25 por kilogramo, menos del 5 por ciento del costo del indio, mientras que el estroncioes incluso más barato que el vanadio.
"Nuestros metales correlacionados funcionan realmente bien en comparación con ITO. Ahora, la pregunta es cómo implementar estos nuevos materiales en un proceso de fabricación a gran escala. Por lo que entendemos en este momento, no hay razón para que el vanadato de estroncio no pueda reemplazar a ITO enel mismo equipo utilizado actualmente en la industria ", dice Engel-Herbert.
Junto con las tecnologías de visualización, Engel-Herbert y su grupo están entusiasmados por combinar sus nuevos materiales con un tipo muy prometedor de células solares que utiliza una clase de materiales llamados perovskitas orgánicas. Desarrollados solo en la última media docena de años, estos materiales superancélulas solares de silicio comerciales pero requieren un conductor transparente de bajo costo. El vanadato de estroncio, también una perovskita, tiene una estructura compatible que hace de esta una posibilidad interesante para futuras células solares de bajo costo y alta eficiencia.
Engel-Herbert y Zhang han solicitado una patente sobre su tecnología. Junto con Zhang y Engel-Herbert, los coautores del artículo titulado "Metales correlacionados como conductores transparentes" son Hai-Tian Zhang, Craig Eaton, Yuanxia Zheng y Matthew Brahlek, todos los estudiantes y becarios postdoctorales en el grupo de Engel-Herbert.Otros del Penn State y el Instituto de Investigación de Materiales incluyen a Moses Chan, profesor de física de Evan Pugh, y su becario postdoctoral Weiwei Zhao, y Venkatraman Gopalan, profesor de ciencia e ingeniería de materiales y suestudiante Lu Guo. Rabe y su estudiante Yuanjun Zhou, Universidad de Rutgers, y Anna Barnes, Hamna Haneef y el profesor asociado Nikolas Podraza, Universidad de Toledo también contribuyeron en este proyecto.
La Oficina de Investigación Naval, la Fundación Nacional de Ciencias y el Departamento de Energía financiaron este trabajo. La fabricación de los metales correlacionados se realizó en el Instituto de Investigación de Materiales en las instalaciones de laboratorio del Complejo de Ciencias del Milenio de Penn State.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Investigación de Materiales de Penn State . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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