Учёные из Института материаловедения, подразделения Университета штата Пенсильвания, 15 декабря представили новый материал, способный заменить оксид индия-олова (ITO). Новый материал не отстаёт от широко применяющегося в данный момент ITO по прозрачности, проводимости и простоте изготовления, при этом обгоняя его по стоимости конечного продукта.

Оксид индия-олова – это прозрачный токопроводящий материал, который используется при изготовлении дисплеев и сенсорных экранов. Последние 60 лет он был практически незаменим для этих целей, но с 2000-х годов в связи с возросшим спросом цены на индий быстро растут.

В данный момент стоимость экрана может составлять уже до 40% от стоимости всего устройства. В результате, начинка устройств дешевеет, а экран дорожает.

Инженеры уже давно пытаются найти адекватную замену ITO. Это и оксид алюминия-цинка, и оксид олова, легированный фтором или сурьмой, и даже графен. Но пока свойства всех альтернативных материалов отстают от ITO.

Учёные из Пенсильвании утверждают, что их материал способен заменить ITO на рынке. Они использовали сверхтонкие плёнки (10 нм) из т.н. коррелирующих материалов. Такие материалы являются составными, в их составе присутствуют как токопроводящие, так и изолирующие компоненты. В результате этого они демонстрируют уникальные свойства, которых не бывает у чистых проводников и диэлектриков.

Как объясняют учёные, в используемых ими коррелирующих металлах поведение электронов схоже с поведением молекул жидкости, в то время как электроны в обычных металлах ведут себя, как газ.

«Мы пытаемся сделать металлы прозрачными, меняя эффективную массу электронов,– поясняет руководитель команды исследователь, Роман Энгель-Герберт [Roman Engel-Herbert], ассистент-профессор материаловедения. – Для этого мы берём материалы, в которых электростатическое взаимодействие между электронами сильно превосходит их кинетическую энергию.

В результате эффекта сильной корреляции электронов они „чувствуют“ друг друга и ведут себя, как жидкость, а не как газ, в котором молекулы почти не взаимодействуют. Электронная „жидкость“ остаётся хорошим проводником, но плохо отражает свет, то есть, становится прозрачной».

Чтобы рассчитать, в каких материалах можно достичь подобного эффекта, учёные объединили усилия с экспертом в области материаловедения Кэрин Рэйб [Karin Rabe]. В результате расчётов учёные выяснили, что на роль этих материалов успешно подходят ванадат стронция и ванадат кальция.

Сейчас килограмм иридия стоит на рынке $750. Элементы, составляющие материалы-заменители, на порядок более распространены в земной коре, а потому и стоят дешевле. Килограмм ванадия стоит $25, а стронций и кальций – и того меньше.

По мнению учёных, ванадат стронция теоретически также может быть использован в качестве перовскита – прозрачного материала с особыми свойствами, повышающего эффективность солнечных панелей.

Теперь материаловеды должны представить планы по промышленному производству указанных материалов.