Les électrons de certains oxydes métalliques, en raison de leur grande masse effective lorsqu'ils sont couplés avec le réseau ionique du matériau, ne peut pas suivre le champ électrique de la lumière et lui permettre de traverser le matériau. Des matériaux transparents et conducteurs sont utilisés dans les écrans tactiles des smartphones et les panneaux solaires pour l'énergie photovoltaïque.

Chercheurs de l'Institut des Sciences des Matériaux de Barcelone (ICMAB-CSIC), proposer une nouvelle théorie pour expliquer la transparence des oxydes métalliques, qui sont utilisées dans les écrans tactiles des smartphones et tablettes ainsi que sur les cellules solaires utilisées dans l'énergie photovoltaïque. Les scientifiques soulignent que la masse effective d'électrons dans ces types de matériaux est importante en raison de la formation de polarons ou de couplages entre les électrons en mouvement et le réseau ionique du matériau, qui est déformé autour d'elle. Ces électrons ne peuvent pas osciller rapidement en suivant le champ électrique de la lumière et la laisser passer au lieu de la réfléchir. Jusqu'à maintenant, la théorie acceptée pour expliquer cette transparence a souligné les interactions entre les électrons eux-mêmes. L'étude a été publiée dans la revue Sciences avancées .

Matériaux, en général, sont transparents à la lumière visible lorsque les photons lumineux ne peuvent pas être absorbés par le matériau et le traverser sans être interrompus par des interactions avec les électrons. La présence de charges libres (électrons) est une caractéristique fondamentale des métaux, qui sont conducteurs par nature. Dans ces matériaux, les électrons, sous l'influence du champ électrique de la lumière, sont forcés d'osciller, et ils émettent de la lumière à la même fréquence que la lumière reçue. Cela signifie que les métaux ont tendance à briller, car ils reflètent la lumière qui les atteint. En outre, cela les rend opaques, puisque la lumière ne les traverse pas. Dans certains matériaux, les électrons sont plus lourds, et ne peut pas suivre les oscillations causées par le champ électrique de la lumière aussi rapidement, et ne peut pas le refléter, mais laissez-le traverser le matériau sans interagir; le matériau est alors transparent.

À la recherche d'alternatives

Les écrans tactiles des smartphones et tablettes sont constitués d'un matériau transparent et conducteur. La plupart d'entre eux sont constitués d'oxyde d'indium et d'étain (ITO), un matériau qui est un semi-conducteur. Ce matériau est également utilisé dans les panneaux solaires, en LED, dans les écrans à cristaux liquides LED ou OLED, et même dans les revêtements de pare-brise d'avion. Mais l'indium est un métal très rare. En réalité, avec la forte production d'écrans tactiles et l'essor de l'énergie photovoltaïque, on estime qu'il sera terminé avant 2050. D'où l'importance de trouver des substituts. Les chercheurs de l'ICMAB-CSIC ont étudié des couches minces d'oxyde métallique de strontium et d'oxyde de vanadium. Ce qu'ils ont trouvé, c'est que de fines couches de ce matériau métallique, étonnamment, sont transparents, quelque chose qui devrait être lié à une grande masse effective de ses électrons libres.

"Nous pensons que l'augmentation de la masse effective des électrons est due à leur couplage avec le réseau cristallin. Les électrons d'oxyde de strontium et de vanadium et, en général, d'oxydes métalliques, se déplacer dans une matrice d'ions (positifs et négatifs). Ce réseau se déforme avec l'électron en mouvement et cette distorsion se déplace avec lui. Ce serait comme un électron habillé d'une distorsion du réseau se déplaçant à travers le matériau. Ce couplage entre l'électron et le réseau s'appelle un polaron et il est plus lourd que l'électron libre, donc la masse effective de l'électron est plus grande, ce qui expliquerait la transparence du matériau à la lumière visible puisqu'il ne peut pas suivre les oscillations du champ lumineux électrique et le laisse passer, " explique Josep Fontcuberta, Chercheur CSIC à l'ICMAB-CSIC et responsable de cette étude.

Ce nouveau modèle rompt avec le paradigme établi jusqu'ici dans le domaine de la physique de la matière condensée; Les interactions coulombiennes entre les électrons ont été acceptées pour gouverner les propriétés des oxydes métalliques. Au lieu, cette nouvelle théorie propose que l'interaction entre les électrons et le réseau ionique joue un rôle crucial.

L'étude contient une analyse complète et sans précédent de certaines des propriétés électriques et optiques décrites par le scénario polaron. "Dans des études précédentes, il avait été vu qu'il pouvait y avoir une relation, mais il n'avait jamais été analysé en profondeur. Par ailleurs, en plus de vérifier la théorie dans l'oxyde de strontium et de vanadium, il a été analysé dans d'autres oxydes métalliques et dans certains isolants dopés, et leurs prédictions se sont avérées vraies, " explique Fontcuberta.

"Cette étude, entre autres, est le résultat d'une caractérisation très exhaustive des propriétés électriques et optiques de dizaines de couches minces du matériau en question. C'est aussi le résultat d'une analyse très minutieuse des données, qui a révélé quelques divergences avec des scénarios et des théories établis il y a longtemps. Le travail patient et minutieux de Mathieu Mirjolet, Chercheur prédoctoral ICMAB, a rendu cela possible. Je ne sais pas si cela a été la découverte la plus pertinente de ma carrière, puisque je ne sais pas ce qui est encore à venir, mais je peux vous assurer que c'est l'une des meilleures façons d'illustrer mon véritable plaisir à regarder la science et la vie d'un autre point de vue, " ajoute Fontcuberta.

Ces résultats sont issus d'une collaboration entre les chercheurs de l'ICMAB Josep Fontcuberta et Mathieu Mirjolet, du groupe MULFOX, avec des chercheurs de l'Université de Saint-Jacques-de-Compostelle (Espagne), l'Université de Fribourg (Allemagne) et l'Université de Francfort (Allemagne).