Gli elettroni di alcuni ossidi metallici, a causa della loro grande massa efficace quando accoppiata con il reticolo ionico del materiale, non può seguire il campo elettrico della luce e lasciarlo passare attraverso il materiale. I materiali trasparenti e conduttivi sono utilizzati nei touch screen degli smartphone e nei pannelli solari per l'energia fotovoltaica.

Ricercatori dell'Istituto di Scienza dei Materiali di Barcellona (ICMAB-CSIC), proporre una nuova teoria per spiegare la trasparenza degli ossidi metallici, che vengono utilizzati nei touch screen di smartphone e tablet, nonché sulle celle solari utilizzate nell'energia fotovoltaica. Gli scienziati sottolineano che la massa effettiva degli elettroni in questi tipi di materiali è grande a causa della formazione di polaroni o accoppiamenti tra gli elettroni in movimento e il reticolo ionico del materiale, che è distorto intorno ad esso. Questi elettroni non possono oscillare rapidamente seguendo il campo elettrico della luce e lasciarlo passare invece di rifletterlo. Fino ad ora, la teoria accettata per spiegare questa trasparenza indicava le interazioni tra gli elettroni stessi. Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Scienze avanzate .

Materiali, generalmente, sono trasparenti alla luce visibile quando i fotoni di luce non possono essere assorbiti dal materiale e lo attraversano senza essere interrotti dalle interazioni con gli elettroni. La presenza di cariche libere (elettroni) è una caratteristica fondamentale nei metalli, che sono conduttori per natura. In questi materiali, gli elettroni, sotto l'influenza del campo elettrico della luce, sono costretti a oscillare, e irradiano luce alla stessa frequenza della luce ricevuta. Ciò significa che i metalli tendono a brillare, perché riflettono la luce che li raggiunge. Inoltre, questo li rende opachi, poiché la luce non li attraversa. In alcuni materiali, gli elettroni sono più pesanti, e non può seguire altrettanto rapidamente le oscillazioni causate dal campo elettrico della luce, e non può rifletterlo, ma lasciarlo passare attraverso la materia senza interagire; il materiale è quindi trasparente.

Alla ricerca di alternative

I touch screen di smartphone e tablet sono realizzati con un materiale trasparente e conduttivo. La maggior parte di questi sono fatti di ossido di indio e stagno (ITO), un materiale che è un semiconduttore. Questo materiale è utilizzato anche nei pannelli solari, nei LED, nei display a cristalli liquidi LED o OLED, e persino nei rivestimenti dei parabrezza degli aerei. Ma l'indio è un metallo molto raro. Infatti, con l'elevata produzione di touch screen e l'espansione dell'energia fotovoltaica, si stima che sarà terminato prima del 2050. Da qui l'importanza di trovare sostituti. I ricercatori dell'ICMAB-CSIC hanno studiato film sottili di ossido di metallo stronzio e ossido di vanadio. Quello che hanno scoperto è che sottili strati di questo materiale metallico, sorprendentemente, sono trasparenti, qualcosa che dovrebbe essere correlato a una grande massa effettiva dei suoi elettroni liberi.

"Pensiamo che l'aumento della massa effettiva degli elettroni sia dovuto al loro accoppiamento con il reticolo cristallino. Gli elettroni di stronzio e ossido di vanadio e, generalmente, di ossidi metallici, si muovono in una matrice di ioni (positivi e negativi). Questo reticolo si deforma con l'elettrone in movimento e questa distorsione si muove con esso. Sarebbe come un elettrone vestito di una distorsione del reticolo che si muove attraverso il materiale. Questo accoppiamento tra l'elettrone e il reticolo è chiamato polarone ed è più pesante dell'elettrone libero, quindi la massa efficace dell'elettrone è maggiore, che spiegherebbe la trasparenza del materiale alla luce visibile poiché non può seguire le oscillazioni del campo luminoso elettrico e lo lascia passare, " spiega Josep Fontcuberta, Ricercatore CSIC presso ICMAB-CSIC e leader di questo studio.

Questo nuovo modello rompe con il paradigma stabilito finora nel campo della fisica della materia condensata; Le interazioni di Coulomb tra gli elettroni sono state accettate per governare le proprietà degli ossidi metallici. Anziché, questa nuova teoria propone che l'interazione tra gli elettroni e il reticolo ionico giochi un ruolo cruciale.

Lo studio contiene un'analisi completa e senza precedenti di alcune delle proprietà elettriche e ottiche descritte dallo scenario polaron. "In studi precedenti si era visto che poteva esserci una relazione, ma non era mai stato analizzato a fondo. Per di più, oltre a verificare la teoria in stronzio e ossido di vanadio, è stato analizzato in altri ossidi metallici e in alcuni isolanti drogati, e le loro previsioni si sono rivelate vere, " spiega Fontcuberta.

"Questo studio, tra l'altro, è il risultato di una caratterizzazione molto esaustiva delle proprietà elettriche ed ottiche di decine di strati sottili del materiale in esame. È anche il risultato di un'analisi molto attenta dei dati, che ha rivelato alcune discrepanze con scenari e teorie stabilite da tempo. Il lavoro paziente e meticoloso di Mathieu Mirjolet, Ricercatore pre-dottorato ICMAB, ha reso possibile questo. Non so se sia stata la scoperta più rilevante della mia carriera, poiché non so cosa deve ancora venire, ma posso assicurarti che è uno dei modi migliori per illustrare il mio genuino piacere nel guardare la scienza e la vita da un altro punto di vista, " aggiunge Fontcuberta.

Questi risultati provengono da una collaborazione tra i ricercatori ICMAB Josep Fontcuberta e Mathieu Mirjolet, del gruppo MULFOX, con ricercatori dell'Università di Santiago de Compostela (Spagna), l'Università di Friburgo (Germania) e l'Università di Francoforte (Germania).