武漢“85后”留美博士張磊、以第一作者身份，于12月14日在線發(fā)表在《自然-材料》雜志的最新研究成果——一種新的透明導(dǎo)電材料，吸引世界關(guān)注。該項研究成果可以使大屏幕顯示器、智能窗、觸摸屏和太陽能電池更加高效和廉價，成功地對自1977年由香農(nóng)首次提出，以摻雜半導(dǎo)體來設(shè)計透明導(dǎo)電材料的原理，后被人們長期遵循的這種思路進(jìn)行了挑戰(zhàn)。
傳統(tǒng)的透明導(dǎo)材料——銦錫氧化物，在過去幾十年里一直占據(jù)市場主導(dǎo)地位，擁有90%以上的顯 示器市場份額。然而過去10年中，銦價格急劇上升，顯示器和觸摸屏模塊已經(jīng)占據(jù)移動設(shè)備40%的生產(chǎn)成本。長期以來，內(nèi)存芯片和中央處理器遵循摩爾定律， 變得越來越便宜，然而智能手機(jī)和平板顯示器因為尺寸效應(yīng)，變得越來越昂貴。制造商一直在尋找銦錫氧化物可能的替代材料，但一直沒有發(fā)現(xiàn)有其它材料可以在光學(xué)透明性、導(dǎo)電性和易于制造上與之媲美。不久前，張磊所在的美國賓州州立大學(xué)“恩格爾-赫伯特研究小組”提出了一個新的材料設(shè)計策略。
在新的材料設(shè)計中，沒有使用傳統(tǒng)寬禁帶半導(dǎo)體，比如銦錫氧化物或氧化鋅，而是使用了兩種不同尋常的10納米厚金屬薄膜——釩酸鍶和釩酸鈣。“這兩種材料 都屬于強(qiáng)關(guān)聯(lián)金屬，電子在強(qiáng)關(guān)聯(lián)金屬中表現(xiàn)出類似于‘液體’的性質(zhì)，而在常規(guī)金屬，如銅、金、鋁、銀中，電子大多表現(xiàn)出類似于‘氣體’的性質(zhì)，常規(guī)金屬一 般表現(xiàn)出高反射和高吸收的特性?！痹谖恼轮校髡呓忉尀槭裁磸?qiáng)關(guān)聯(lián)金屬在保持金屬高導(dǎo)電性的同時，光學(xué)性質(zhì)與常規(guī)金屬相比有著極大的提升。
“通過改變電子的有效質(zhì)量，我們使金屬變得更加透明。”賓州州立大學(xué)材料科學(xué)與工程專業(yè)助理教授恩格爾-赫伯特介紹：他們選擇了一種電子間相互作用大于 其動能的材料，由于電子強(qiáng)關(guān)聯(lián)作用，電子能“感覺”到彼此，從而使其性質(zhì)類似于“液體”，而不是沒有相互作用的“氣體”。這種電子“液體”仍然非常導(dǎo)電， 但是可見光波段的反射卻大大降低，從而提高了透明度。目前，該研究小組正在與美國科學(xué)促進(jìn)會院士、羅格斯大學(xué)材料理論專家卡琳·拉貝教授合作，研究人員相 信他們會找到很多像釩酸鍶(鈣)的材料。
新的材料設(shè)計策略是張磊第一個意識到并發(fā)現(xiàn)的，也是該發(fā)表文章的第一作者。張磊于1985年出生于武漢，曾就讀于武漢大學(xué)，目前為“恩格爾-赫伯特研究小組”的博士研究生，在加入研究小組之前，他曾作為工藝整合工程師在美國硅谷工作過兩年。
“許多公司甚至是初創(chuàng)公司，都在努力地優(yōu)化銦錫氧化物，并尋找其潛在的替代品。然而通過在同類材料中做優(yōu)化和改進(jìn)，得到的提升空間十分有限。”張磊介 紹，做了相關(guān)電氣測量后，自己發(fā)現(xiàn)強(qiáng)關(guān)聯(lián)金屬材料將會是銦錫氧化物非?？赡艿奶娲贰Ｄ壳?，銦售價大約是每公斤750美元，而釩酸鍶(鈣)的組成元素在地 殼中蘊(yùn)藏量更多;釩的售價為大約是每公斤25美元，而鈣鍶比釩更為廉價?！皬?qiáng)關(guān)聯(lián)金屬薄膜與銦錫氧化物薄膜的結(jié)構(gòu)相似。從我們的理解來看，釩酸鍶(鈣)完 全可以使用相同的制造設(shè)備生產(chǎn)?！倍鞲駹?赫伯特表示。
同時，《自然-材料》編輯特邀美國化學(xué)學(xué)會無機(jī)化學(xué)及固體化學(xué)分會主席、美國 西北大學(xué)催化及表面科學(xué)研究中心主任肯尼斯·珀佩爾邁爾教授、西北大學(xué)理論材料學(xué)家詹姆斯·龍迪內(nèi)利教授為文章撰寫新聞稿，并發(fā)表在同期雜志的《新聞與展 望》部分?？夏崴埂ょ昱鍫栠~爾教授和詹姆斯·龍迪內(nèi)利教授高度評價了這項工作，他們認(rèn)為張磊和恩格爾-赫伯特的文章，成功地對自1977年由香農(nóng)首次提 出，以摻雜半導(dǎo)體來設(shè)計透明導(dǎo)電材料的原理，后被人們長期遵循的這種思路進(jìn)行了挑戰(zhàn)，并且從實驗和理論上證明了本征強(qiáng)關(guān)聯(lián)金屬也可以被用作為透明導(dǎo)電材料。