Самым распространенным среди прозрачных проводников, вне всякого сомнения, остается легированный ITO. Тем не менее, в последнее время к нему появился ряд вопросов, главный из которых в том, что поставки индия оценены как «критические» уже несколькими агентствами. Кроме того, с развитием органической оптоэлектроники все возрастает спрос на гибкие прозрачные проводники, которые могут быть получены на пластиковых подложках.

Человеку, далекому от оптоэлектроники, интуитивно кажется, что оптическая прозрачность и проводимость – свойства не совместимые: прозрачные материалы – это, например, оконное стекло, проводящие – это металлы, и у них ничего общего.

Те, кто знаком с устройством дисплеев и солнечных батарей, тем не менее знают, что прозрачные электроды существуют, и спрос на эти материалы быстро растет.

Самым распространенным среди таких материалов на сегодняшний день, вне всякого сомнения, является легированный оксидом олова In₂O₃ (ITO), первое сообщение о котором появилось в 1954 году и который до сих пор не собирается сдавать своих позиций из-за его низкого удельного сопротивления, возможности травления и легкого масштабирования. Тем не менее, в последнее время появился ряд вопросов к ITO, главный из которых в том, что поставки индия оценены как «критические» уже несколькими агентствами. Например, несмотря на то, что одним из основных преимуществ органических светодиодов по сравнению с неорганическими является их более низкая цена, стоимость прозрачного анода из ITO практически сводит это преимущество на нет.

Однако еще более важным является другое: с развитием органической оптоэлектроники все возрастает спрос на гибкие прозрачные проводники, которые могут быть получены на пластиковых подложках.

Рис. 1. Топологический изолятор Bi₂Se₃. Большая константа спин-орбитального взаимодействия висмута создает внутреннее магнитное поле, на поверхности возникает круговой ток, которого не возникает в объеме.

В качестве альтернативы ITO были изучены и другие оксидные материалы, такие, как легированные ZnO и TiO₂, и так как оба этих материала хорошо известны как прозрачные проводники еще с 1950 года, развитие их промышленного производства сегодня является основным направлением исследования. Недавно были опубликованы концепты «прозрачных проводящих материалов нового поколения», например, 12CaO·7Al₂O₃ с уникальной электронной структурой, кубический SrGeO₃, графеновые материалы, в которых электроны проводимости ведут себя как частицы Дирака.

Рис. 2. Оптический спектр пропускания для обычного прозрачного проводящего тонкопленочного оксида.

Еще одним новым классом материалов с уникальной электронной природой являются топологические изоляторы (ТИ). Хотя в виде порошков эти материалы являются диэлектриками с большой шириной запрещенной зоны, их поверхность имеет металлический характер с нулевой запрещенной зоной. Дно зоны проводимости и потолок валентной зоны связаны линейными зонами (конусом Дирака). Большинство из этих соединений представляют собой слоистые соединения висмута. Из-за большой константы спин-орбитального взаимодействия висмута появляется возможность создания локального магнитного поля без использования внешнего магнитного поля. В объемном материале ток все равно не появляется, зато он появляется на поверхности.

Поверхностные электроны ТИ ведут себя как безмассовые электроны Дирака, как в графене, а на поверхности ТИ образуется спин-поляризованный ток без использования внешнего магнитного поля.

Рис. 3. a) Фотография прозрачной пленки Bi₂Se₃
на слюдяной подложке, демонстрирующая гибкость. b) TEM
изображение пленки Bi₂Se₃. c, Изображение HRTEM
красной точки на с) показывающее его кристаллическую структуру,
и d) изображение HRTEM сложенного края Bi₂Se₃,
показывающее его слоистую структуру.

По данным Пенга с сотрудниками, опубликованным в Nature Chemistry, ТИ на основе Bi₂Se₃ обладают сопротивлением 330 Ом/sq (3,3×10³ S/см), что сопоставимо с проводимостью коммерчески доступного ITO. Их оптическая прозрачность для видимого излучения пока оставляет желать лучшего и составляет ~50%, зато прозрачность в ближней инфракрасной области превышает 85%.

Пенг также указывает, что гибкость тонких пленок Bi₂Sе₃ выше, чем у пленок ITO как по минимальной кривизне разрыва, так и по устойчивости к последовательному циклическому изгибанию. Его устойчивость к воздействию кислородной плазмы, которая необходима для травления, выше, чем у графена. Печально, что и висмут, и селен ядовиты и потому не пригодны для промышленного применения, но

ученые предсказывают рост числа прозрачных проводников, относящихся к этому классу.

Литература:

1. Ginley, D. S., Hosono, H. & Paine, D. C. Handbook of Transparent Conductors – Springer, 2010.
2. Kim, S. W. et al. Nano Lett. 7, 1138–1143 (2007).,
3. Mizoguchi, H. et al. Nature Commun. 2, 470 (2011).,
4. Peng, H. et al. Nature Chem. 4, 281–286 (2012).