Metal oksitlerin şeffaflığını açıklayan yeni bir teori

Bazı geçiş metal oksitlerin (TMO) elektronları, malzemenin iyon kafesiyle birleştiğinde büyük etkili kütleleri nedeniyle ışığın elektrik alanını takip edemez ve ışığın malzemenin içinden geçmesine izin vermez. Fotovoltaik enerji için akıllı telefonların dokunmatik ekranlarında ve güneş panellerinde şeffaf ve iletken malzemeler kullanılmaktadır ve şeffaflık oranının artırılması için çalışmalar tüm hızıyla devam etmektedir.

Barselona Malzeme Bilimi Enstitüsünden (ICMAB-CSIC) araştırmacıların  Advanced Science dergisinde yayınladığı çalışmaya göre, akıllı telefonların ve tabletlerin dokunmatik ekranlarında ve güneş pillerinde kullanılan metal oksitlerin şeffaflığını açıklamak için yeni bir teori öne sürüldü. Bilim insanları, bu tür malzemelerdeki etkin elektron kütlesinin, hareket halindeki elektronlar ile etrafında çarpık olan malzemenin iyon kafesi arasında polaronlar veya farklı bağlantıların oluşması nedeniyle büyük olduğuna dikkat çekiyor. 

Şekil 1. Latis polarizasyon bulutu (polaron) ile kaplanmış bir yük taşıyıcısı olan elektronun iyon örgü kafesi içindeki etkileşimi¹.

Bu elektronlar, ışığın elektrik alanını takip ederek hızla salınamadıklarından, ışığı yansıtmak yerine geçmesine izin verirler. Şimdiye kadar, bu şeffaflığı açıklamak için kabul edilen teori elektronların kendi aralarındaki etkileşimleri üzerine yoğunlaşmıştır. Genel olarak malzemeler, ışık fotonları malzeme tarafından absorbe edilemediğinde ve elektronlarla etkileşimler tarafından kesintiye uğramadan içinden geçtiğinde görünür ışığa karşı şeffaftır. Serbest yüklerin (elektron, proton, iyon vb.) varlığı ile metaller iletken özellik gösterir. Metallerde elektronlar, ışığın elektrik alanı etkisi ile salınmaya zorlanırlar ve gelen ışıkla aynı frekansta ışık yayarlar. Bu sayede metaller kendilerine ulaşan ışığı yansıttıkları için parlama eğiliminde olurlar. Aynı zamanda, ışık geçmediği için bu durum metalleri opak yapar. Bazı malzemelerde elektronlar daha ağır olduğundan ışığın elektrik alanının neden olduğu salınımları hızlı bir şekilde takip edemez ve yansıtamazlar bu yüzden ışığın madde ile etkileşimine izin vermeden malzemeden geçmesine izin verir ve bu malzemeler şeffaf olarak adlandırılırlar.

Alternatifler aramak

Akıllı telefonlar ve tabletlerdeki dokunmatik ekranlar şeffaf ve iletken bir malzemeden yapılmıştır. Çoğu, yarı iletken bir malzeme olan indiyum kalay oksitten (ITO) yapılır. Bu malzeme aynı zamanda güneş panellerinde, LED’lerde, LED veya OLED likit kristal ekranlarda ve hatta uçak ön camlarının kaplamalarında da kullanılmaktadır. İndiyum çok nadir bulunan bir metaldir ve dokunmatik ekranların fazla sayıda üretimi ve fotovoltaik enerjinin yaygınlaşması ile indiyum metalinin 2050’den önce biteceği tahmin edilmektedir. Bundan dolayı aynı özelliklere sahip farklı bir metal bulunması önemlidir. 

ICMAB-CSIC‘deki araştırmacılar, stronsiyum metal oksit ve vanadyum oksitin ince filmlerini incelediler. Bu metallerin çok ince olduklarında şaşırtıcı bir şekilde şeffaf olduğunu ve bunun metalik malzemenin serbest elektronlarının büyük etkin kütlesi ile ilgili olması gerektiğini ifade ettiler.

ICMAB-CSIC‘de CSIC (Bilimsel Araştırmalar Yüksek Kurulu) araştırmacısı ve bu çalışmanın lideri olan Josep Fontcuberta, şeffaflığı elektronların kristal kafesle etkileşmesiyle artan etkin kütlesi ile açıklamıştır. Stronsiyum vanadyum oksitin (SrVO₃) ve genel olarak metal oksitlerin elektronları, bir iyon matrisi (pozitif ve negatif) içinde hareket eder. Bu kafes, hareket eden elektronla birlikte deforme olur ve bu bozulma da elektronla birlikte hareket eder. Elektron ve kafes arasındaki bu bağlantıya polaron denir ve serbest elektrondan daha ağırdır; bu nedenle elektronun etkin kütlesi daha büyüktür. Bu, ışığın elektrik alanının salınımlarını takip edemediği ve içinden geçmesine izin verdiği için malzemenin görünür ışığa karşı şeffaf olduğunu belirterek açıklamıştır (Şekil 2).

Şekil 2. Işığın çok ince (18-140 nm) bir filmle etkileşerek filmin içinden geçmesi².

Bu yeni model, şu ana kadar yoğun madde fiziği alanında kurulmuş olan paradigmadan kopuyor. Elektronlar arasındaki Coulomb etkileşimlerinin metal oksitlerin özelliklerini yönettiği kabul edilmektedir. Bunun yerine, bu yeni teori, elektronlar ve iyon kafesi arasındaki etkileşimin çok önemli bir rol oynadığını öne sürüyor.

Yaptıkları çalışma, polaron senaryosu tarafından açıklanan bazı elektriksel ve optik özelliklerin kapsamlı ve benzeri görülmemiş bir analizini içeriyor. Fontcuberta, “Daha önceki çalışmalarda bir ilişki olabileceği görülmüştü ancak hiçbir zaman derinlemesine analiz edilmemişti. Ayrıca, teoriyi stronsiyum vanadyum oksitte kontrol etmenin yanı sıra, diğer metalik oksitlerde ve bazı katkılı yalıtkanlarda analiz edildi ve tahminlerinin doğru olduğu bulundu.” diye açıklıyor.

Kaynaklar

1. Mirjolet, M., Rivadulla, F., Marsik, P., Borisov, V., Valentí, R., & Fontcuberta, J. (2021). Electron-Phonon Coupling and Electron-Phonon Scattering in SrVO 3. https://doi.org/10.1002/advs.202004207
2. Mirjolet, M., Kataja, M., Hakala, T. K., Komissinskiy, P., Alff, L., Herranz, G., & Fontcuberta, J. (2021). Optical Plasmon Excitation in Transparent Conducting SrNbO3 and SrVO3 Thin Films. Advanced Optical Materials, 2100520, 1–9. https://doi.org/10.1002/adom.202100520
3.  https://phys.org/news/2021-07-theory-transparency-metallic-oxides.html