Los electrones de algunos óxidos metálicos, debido a su gran masa efectiva cuando se combina con la red iónica del material, no puede seguir el campo eléctrico de la luz y permitir que pase a través del material. Los materiales transparentes y conductores se utilizan en pantallas táctiles de teléfonos inteligentes y paneles solares para energía fotovoltaica.

Investigadores del Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona (ICMAB-CSIC), proponer una nueva teoría para explicar la transparencia de los óxidos metálicos, que se utilizan en las pantallas táctiles de los teléfonos inteligentes y tabletas, así como en las células solares utilizadas en la energía fotovoltaica. Los científicos señalan que la masa efectiva de electrones en este tipo de materiales es grande debido a la formación de polarones o acoplamientos entre los electrones en movimiento y la red iónica del material. que se distorsiona a su alrededor. Estos electrones no pueden oscilar rápidamente siguiendo el campo eléctrico de luz y dejarlo pasar en lugar de reflejarlo. Hasta ahora, la teoría aceptada para explicar esta transparencia apuntaba a las interacciones entre los propios electrones. El estudio ha sido publicado en la revista Ciencia avanzada .

Materiales en general, son transparentes a la luz visible cuando los fotones de luz no pueden ser absorbidos por el material y pasan a través de él sin ser interrumpidos por interacciones con electrones. La presencia de cargas libres (electrones) es una característica fundamental en los metales, que son conductores por naturaleza. En estos materiales, los electrones, bajo la influencia del campo eléctrico de luz, se ven obligados a oscilar, e irradian luz a la misma frecuencia que la luz de recepción. Esto significa que los metales tienden a brillar, porque reflejan la luz que les llega. Además, esto los hace opacos, ya que la luz no los atraviesa. En algunos materiales, los electrones son más pesados, y no puede seguir las oscilaciones causadas por el campo eléctrico de la luz tan rápidamente, y no puedo reflejarlo, pero déjelo pasar a través del material sin interactuar; entonces el material es transparente.

Buscando alternativas

Las pantallas táctiles en teléfonos inteligentes y tabletas están hechas de un material transparente y conductor. La mayoría de ellos están hechos de óxido de indio y estaño (ITO), un material que es un semiconductor. Este material también se utiliza en paneles solares, en LED, en pantallas de cristal líquido LED u OLED, e incluso en los revestimientos de parabrisas de aviones. Pero el indio es un metal muy raro. De hecho, con la alta producción de pantallas táctiles y la expansión de la energía fotovoltaica, se estima que estará terminado antes de 2050. De ahí la importancia de encontrar sustitutos. Los investigadores del ICMAB-CSIC han estudiado películas delgadas de óxido metálico estroncio y óxido de vanadio. Lo que han encontrado es que capas delgadas de este material metálico, asombrosamente, son transparentes, algo que tendría que estar relacionado con una gran masa efectiva de sus electrones libres.

"Creemos que el aumento en la masa efectiva de los electrones se debe a su acoplamiento con la red cristalina. Los electrones de estroncio y óxido de vanadio y, en general, de óxidos metálicos, se mueven en una matriz de iones (positivos y negativos). Esta red se deforma con el electrón en movimiento y esta distorsión se mueve con él. Sería como un electrón vestido con una distorsión de la red que se mueve a través del material. Este acoplamiento entre el electrón y la red se llama polarón y es más pesado que el electrón libre, por lo que la masa efectiva del electrón es mayor, lo que explicaría la transparencia del material a la luz visible ya que no puede seguir las oscilaciones del campo de luz eléctrica y lo deja pasar, "explica Josep Fontcuberta, Investigador del CSIC en el ICMAB-CSIC y líder de este estudio.

Este nuevo modelo rompe con el paradigma establecido hasta ahora en el campo de la física de la materia condensada; Se aceptó que las interacciones de Coulomb entre electrones gobiernan las propiedades de los óxidos metálicos. En lugar de, esta nueva teoría propone que la interacción entre los electrones y la red de iones juega un papel crucial.

El estudio contiene un análisis completo y sin precedentes de algunas de las propiedades eléctricas y ópticas que se describen en el escenario polaron. "En estudios anteriores se había visto que podría haber una relación, pero nunca se había analizado en profundidad. Es más, además de comprobar la teoría en estroncio y óxido de vanadio, se ha analizado en otros óxidos metálicos y en algunos aislantes dopados, y se ha comprobado que sus predicciones son ciertas, "explica Fontcuberta.

"Este estudio, entre otras cosas, es el resultado de una caracterización muy exhaustiva de las propiedades eléctricas y ópticas de decenas de finas capas del material en cuestión. También es el resultado de un análisis muy cuidadoso de los datos, lo que ha revelado algunas discrepancias con escenarios y teorías establecidas hace mucho tiempo. El trabajo paciente y meticuloso de Mathieu Mirjolet, Investigador predoctoral del ICMAB, ha hecho esto posible. No sé si ha sido el descubrimiento más relevante de mi carrera, ya que no se lo que queda por venir, pero puedo asegurarles que es una de las mejores formas de ilustrar mi genuino placer al ver la ciencia y la vida desde otro punto de vista. "añade Fontcuberta.

Estos resultados proceden de una colaboración entre los investigadores del ICMAB, Josep Fontcuberta y Mathieu Mirjolet, del grupo MULFOX, con investigadores de la Universidad de Santiago de Compostela (España), la Universidad de Friburgo (Alemania) y la Universidad de Frankfurt (Alemania).