I ricercatori europei hanno combinato la modellazione al computer della meccanica quantistica e dei processi di fabbricazione di precisione per creare nuovi ossidi conduttivi trasparenti realizzati su ordinazione per un'ampia gamma di applicazioni scientifiche e di consumo.

Immagina di specificare esattamente come vuoi che si comporti un nuovo materiale, consegnare quelle specifiche a un ingegnere, e recuperare un materiale nuovo di zecca con esattamente le qualità di cui hai bisogno.

Questo è ciò che si proponeva di fare il progetto NATCO (for Novel Advanced Transparent Conductive Oxides), finanziato dall'UE. Hanno progettato e sviluppato nuovi ossidi conduttivi trasparenti (TCO) secondo specifiche rigorose applicando la meccanica quantistica per prevedere le proprietà ottiche ed elettroniche di un materiale, fabbricandolo, e verificandone i risultati sperimentalmente.

I risultati? TCO completamente nuovi con un'ampia gamma di potenziali applicazioni nei sensori, celle solari, finestre intelligenti, e dozzine di altri scientifici, prodotti commerciali e di consumo.

“Nel campo dell'optoelettronica, c'è un grande bisogno di trovare materiali migliori e meno costosi, "dice Guy Garry, coordinatore del progetto NATCO. “Il percorso che abbiamo seguito è stato innanzitutto quello di fare calcoli per trovare il modo migliore per ottenere le proprietà di cui avevamo bisogno. Quando abbiamo fabbricato questi materiali, abbiamo scoperto che le loro proprietà erano le stesse che avevamo calcolato.”

Questo processo di progettazione razionale, utilizzando i primi principi per calcolare la conduttività e la trasparenza di nuovi materiali prima di fabbricarli, ha permesso ai ricercatori di sviluppare nuovi TCO con prestazioni migliorate in modo rapido ed efficiente.

“Siamo stati in grado di fare questi calcoli molto rapidamente, che ci ha permesso di valorizzare gli immobili esistenti e trovarne di nuovi, "dice il dottor Garry.

Materiale optoelettronico nuovo di zecca

TCO - materiali che combinano trasparenza e conduttività, qualità che di solito non si trovano insieme - hanno più applicazioni. Come sensori, fotovoltaico, dispositivi emettitori di luce e pellicole controllabili elettronicamente, si trovano negli strumenti scientifici, DVD, fotocamere digitali, cellulari, display per computer e centinaia di altri prodotti.

Fino a poco tempo fa, la maggior parte dei TCO si basava su un materiale chiamato ITO, un ossido di indio che viene drogato - leggermente modificato - con l'aggiunta di una piccola quantità di stagno. Gli ITO si sono rivelati utili, ma, Il dottor Garry dice, soffre di due inconvenienti. La loro trasparenza non è molto buona, soprattutto nel vicino infrarosso, e l'indio scarseggia e molto costoso.

Il team NATCO ha deciso di esplorare un materiale completamente diverso, cuprato di stronzio drogato con quantità variabili di bario. Rame, il bario e lo stronzio sono molto più abbondanti e molto meno costosi dell'indio.

Calcoli approfonditi che applicano la meccanica quantistica prevedevano che, drogando il cuprato di stronzio con una piccola percentuale in peso di bario, i ricercatori potevano creare esattamente i materiali che volevano, combinando una buona conduttività elettrica e trasparenza ottica.

Fabbricare i nuovi materiali è stata una sfida. Inizialmente i materiali venivano fabbricati sotto forma di ceramica sfusa e poi, per applicazioni reali, strati sottili sono stati depositati su substrati idonei.

Alla fine, i ricercatori hanno optato per due tecniche di deposizione:la deposizione laser pulsata (PLD) e la deposizione chimica organica metallica (MOCVD).

Nel PLD, un lampo di luce laser vaporizza il materiale da depositare, creando un film sottile su una superficie di vetro o silicone. Consente un controllo preciso, ma non può essere utilizzato su grandi superfici.

MOCVD utilizza la chimica organica per creare gas che depositano il materiale desiderato su una superficie. È una procedura più complicata, ma ha il vantaggio di poter essere scalato per rivestire grandi superfici.

Una volta fabbricati i materiali, i ricercatori hanno potuto testare quanto bene le loro proprietà elettriche e ottiche corrispondessero ai valori previsti. “Questa è stata la prima volta che questo tipo di lavoro è stato svolto sui TCO, "dice il dottor Garry.

Molteplici applicazioni in cantiere

Oggi, una delle applicazioni più promettenti dei nuovi TCO di NATCO è nell'area dei biosensori estremamente sensibili. Questi dispositivi, con il titolo scioglilingua di sensori elettrochimici per spettroscopia ottica a guida d'onda, sono fabbricati dal partner del consorzio ungherese MicroVacuum. Funzionano misurando come la luce viene piegata mentre passa attraverso uno strato di guida dell'onda ottica molto sottile.

Quando le molecole bersaglio si legano alla superficie del rivelatore, cambiano l'indice di rifrazione del TCO, che a sua volta cambia il modo in cui la luce passa attraverso la guida d'onda. L'applicazione di un campo elettrico variabile attraverso lo strato fornisce ulteriori informazioni sulle molecole.

“Abbiamo ottenuto ottimi risultati su questi dispositivi utilizzando i nostri materiali in cuprato di stronzio, "dice il dottor Garry. Prevede una vasta gamma di applicazioni per questi sensori, soprattutto nel campo della proteomica.

I partner commerciali e accademici del progetto stanno perseguendo altre applicazioni per i TCO dei designer di NATCO, comprese celle solari più efficienti, finestre intelligenti, nuove sorgenti luminose, e materiali per modulare la luce laser.

Per il dottor Garry, i risultati della modellazione dei primi principi del progetto e dell'approccio alla fabbricazione di precisione sono così incoraggianti che ha intenzione di applicarli a problemi più impegnativi.

“Vorremmo usare questo percorso per studiare materiali più complicati, " lui dice. "Per esempio, guardare la ferroelettricità per vedere perché alcuni materiali con la stessa struttura sono ferroelettrici mentre altri non lo sono.