Estructura cristalina de vanadato de estroncio (naranja) y de vanadato de calcio (azul). Los puntos rojos son átomos de oxígeno formando ocho octaedros alrededor de átomos únicos de estroncio y calcio. Se pueden ver átomos de vanadio en el interior de cada octaedro. Imagen: Lei Zhang. Fuente: Penn State.
Un nuevo material que es altamente transparente y conductor de la electricidad podría hacer más eficientes y asequibles las pantallas grandes, las pantallas táctiles y las células solares, según un estudio de científicos e ingenieros de materiales de la universidad Penn State (Pensilvania, EE.UU.).
El óxido de indio y estaño (ITO, por sus siglas en inglés), conductor transparente que se utiliza en más del 90 por ciento del mercado de pantallas, ha sido el material dominante durante los últimos 60 años. Pero en la última década, el precio de indio ha aumentado drásticamente.
Los monitores y módulos de pantalla táctil se han convertido en el principal factor de coste de los dispositivos móviles, como los teléfonos inteligentes y las tabletas, representando cerca del 40 por ciento del coste. Mientras que los chips de memoria y los procesadores se vuelven más baratos, a raíz de la Ley de Moore, las pantallas se vuelven más caras de generación en generación.
Los fabricantes han buscado una posible sustitución del ITO, pero hasta ahora, nada ha alcanzado la combinación que ofrece de transparencia óptica, conductividad eléctrica y facilidad de fabricación.
En un artículo que aparece en línea en Nature Materials, Roman Engel-Herbert, profesor asistente de ciencia e ingeniería de los materiales, y su equipo, informan de una nueva estrategia de diseño que aborda el problema desde un ángulo diferente. Los investigadores utilizan películas delgadas (10 nanómetros de espesor) de una clase inusual de materiales -llamados metales correlacionados- en los que los electrones fluyen como un líquido.
Mientras que en la mayoría de los metales convencionales, tales como cobre, oro, aluminio o plata, los electrones fluyen como un gas, en los metales correlacionados, tales como vanadato de estroncio y vanadato de calcio, se mueven como un líquido. En este trabajo, los autores explican por qué estos metales correlacionados muestran una alta transparencia óptica a pesar de su alta conductividad, similar a la de los metales.
"Estamos tratando de hacer transparentes los metales cambiando la masa efectiva de sus electrones", dice Engel-Herbert en la nota de prensa de Penn State. "Lo estamos haciendo eligiendo materiales en los que la interacción electrostática entre los electrones de carga negativa sea muy grande en comparación con su energía cinética (de movimiento). Como resultado de este fuerte efecto de correlación de los electrones, los electrones se sienten entre sí y se comportan como un líquido en lugar de como un gas de partículas que no interactúan. Este líquido de electrones sigue siendo altamente conductor, pero cuando proyectas luz sobre él, se vuelve menos reflectante, y por lo tanto mucho más transparente".
Para entender mejor cómo alcanzar este delicado equilibrio entre transparencia y conductividad, consultaron a un experto en teoría de los materiales, la profesora Karin Rabe, de la Universidad de Rutgers (Nueva Jersey).
"Nos dimos cuenta de que necesitábamos su ayuda para poner cifras a cómo de líquido es este líquido de electrones en vanadato de estroncio", dice Engel-Herbert.
Rabe ayudó al equipo de Penn State a juntar todas las piezas del rompecabezas teórico y matemático que necesitaban para construir conductores transparentes en forma de metal correlacionado. Ahora que entienden el mecanismo esencial que hay detrás de su descubrimiento, los investigadores de Penn State están seguros de que encontrarán muchos otros metales correlacionados que se comportan como el vanadato de estroncio y el vanadato de calcio.
El óxido de indio y estaño (ITO, por sus siglas en inglés), conductor transparente que se utiliza en más del 90 por ciento del mercado de pantallas, ha sido el material dominante durante los últimos 60 años. Pero en la última década, el precio de indio ha aumentado drásticamente.
Los monitores y módulos de pantalla táctil se han convertido en el principal factor de coste de los dispositivos móviles, como los teléfonos inteligentes y las tabletas, representando cerca del 40 por ciento del coste. Mientras que los chips de memoria y los procesadores se vuelven más baratos, a raíz de la Ley de Moore, las pantallas se vuelven más caras de generación en generación.
Los fabricantes han buscado una posible sustitución del ITO, pero hasta ahora, nada ha alcanzado la combinación que ofrece de transparencia óptica, conductividad eléctrica y facilidad de fabricación.
En un artículo que aparece en línea en Nature Materials, Roman Engel-Herbert, profesor asistente de ciencia e ingeniería de los materiales, y su equipo, informan de una nueva estrategia de diseño que aborda el problema desde un ángulo diferente. Los investigadores utilizan películas delgadas (10 nanómetros de espesor) de una clase inusual de materiales -llamados metales correlacionados- en los que los electrones fluyen como un líquido.
Mientras que en la mayoría de los metales convencionales, tales como cobre, oro, aluminio o plata, los electrones fluyen como un gas, en los metales correlacionados, tales como vanadato de estroncio y vanadato de calcio, se mueven como un líquido. En este trabajo, los autores explican por qué estos metales correlacionados muestran una alta transparencia óptica a pesar de su alta conductividad, similar a la de los metales.
"Estamos tratando de hacer transparentes los metales cambiando la masa efectiva de sus electrones", dice Engel-Herbert en la nota de prensa de Penn State. "Lo estamos haciendo eligiendo materiales en los que la interacción electrostática entre los electrones de carga negativa sea muy grande en comparación con su energía cinética (de movimiento). Como resultado de este fuerte efecto de correlación de los electrones, los electrones se sienten entre sí y se comportan como un líquido en lugar de como un gas de partículas que no interactúan. Este líquido de electrones sigue siendo altamente conductor, pero cuando proyectas luz sobre él, se vuelve menos reflectante, y por lo tanto mucho más transparente".
Para entender mejor cómo alcanzar este delicado equilibrio entre transparencia y conductividad, consultaron a un experto en teoría de los materiales, la profesora Karin Rabe, de la Universidad de Rutgers (Nueva Jersey).
"Nos dimos cuenta de que necesitábamos su ayuda para poner cifras a cómo de líquido es este líquido de electrones en vanadato de estroncio", dice Engel-Herbert.
Rabe ayudó al equipo de Penn State a juntar todas las piezas del rompecabezas teórico y matemático que necesitaban para construir conductores transparentes en forma de metal correlacionado. Ahora que entienden el mecanismo esencial que hay detrás de su descubrimiento, los investigadores de Penn State están seguros de que encontrarán muchos otros metales correlacionados que se comportan como el vanadato de estroncio y el vanadato de calcio.
Costes
Actualmente los costos del indio son de alrededor de 750 dólares por kilogramo, mientras que el vanadato de estroncio y el vanadato de calcio están hechos de elementos con una abundancia en la corteza terrestre mayor en órdenes de magnitud: el vanadio se vende por alrededor de 25 dólares el kilo, menos del 5 por ciento del coste del indio, y el estroncio es incluso más barato que el vanadio.
"Nuestros metales correlacionados funcionan muy bien en comparación con el ITO. Ahora, la pregunta es cómo implementar estos nuevos materiales en un proceso de fabricación a gran escala. Por lo que sabemos, no hay ninguna razón para que el vanadato de estroncio no pueda sustituir al ITO en la industria", dice Engel-Herbert.
Junto con las tecnologías de pantalla, Engel-Herbert y su grupo están entusiasmados con la aplicación de sus nuevos materiales a un tipo muy prometedor de célula solar que utiliza una clase de materiales llamados perovskitas orgánicas.
Desarrollados sólo desde hace media docena de años, estos materiales superan a las células solares de silicio comerciales, pero requieren un conductor transparente barato. El vanadato de estroncio, que también es una perovskita, y tiene una estructura compatible que la convierte en una posibilidad interesante para futuras células solares de bajo coste y alta eficiencia. Los investigadores han solicitado una patente sobre su tecnología.
Pantallas plegables
Los científicos buscan por diversas vías cómo mejorar las pantallas electrónicas. Por ejemplo, hace un año la Universidad de Houston (EE.UU.) señaló que una nanomalla de electrodos de oro podría hacer totalmente plegables los teléfonos móviles y las pantallas. Observaron que es transparente, extensible, y conduce la electricidad, pero que además, a diferencia de otros materiales como la plata, no se oxida.
Los investigadores explican que la nanomalla de electrodos de oro aumentan la resistencia sólo ligeramente, incluso sometidos a una alta exigencia. Además tiene buena conductividad eléctrica y transparencia, y una capacidad de estiramiento "ultra alta". A diferencia de la plata o el cobre, el oro no se oxida fácilmente. Eso reduce mucho la conductividad eléctrica de los nanocables de plata y cobre.
Actualmente los costos del indio son de alrededor de 750 dólares por kilogramo, mientras que el vanadato de estroncio y el vanadato de calcio están hechos de elementos con una abundancia en la corteza terrestre mayor en órdenes de magnitud: el vanadio se vende por alrededor de 25 dólares el kilo, menos del 5 por ciento del coste del indio, y el estroncio es incluso más barato que el vanadio.
"Nuestros metales correlacionados funcionan muy bien en comparación con el ITO. Ahora, la pregunta es cómo implementar estos nuevos materiales en un proceso de fabricación a gran escala. Por lo que sabemos, no hay ninguna razón para que el vanadato de estroncio no pueda sustituir al ITO en la industria", dice Engel-Herbert.
Junto con las tecnologías de pantalla, Engel-Herbert y su grupo están entusiasmados con la aplicación de sus nuevos materiales a un tipo muy prometedor de célula solar que utiliza una clase de materiales llamados perovskitas orgánicas.
Desarrollados sólo desde hace media docena de años, estos materiales superan a las células solares de silicio comerciales, pero requieren un conductor transparente barato. El vanadato de estroncio, que también es una perovskita, y tiene una estructura compatible que la convierte en una posibilidad interesante para futuras células solares de bajo coste y alta eficiencia. Los investigadores han solicitado una patente sobre su tecnología.
Pantallas plegables
Los científicos buscan por diversas vías cómo mejorar las pantallas electrónicas. Por ejemplo, hace un año la Universidad de Houston (EE.UU.) señaló que una nanomalla de electrodos de oro podría hacer totalmente plegables los teléfonos móviles y las pantallas. Observaron que es transparente, extensible, y conduce la electricidad, pero que además, a diferencia de otros materiales como la plata, no se oxida.
Los investigadores explican que la nanomalla de electrodos de oro aumentan la resistencia sólo ligeramente, incluso sometidos a una alta exigencia. Además tiene buena conductividad eléctrica y transparencia, y una capacidad de estiramiento "ultra alta". A diferencia de la plata o el cobre, el oro no se oxida fácilmente. Eso reduce mucho la conductividad eléctrica de los nanocables de plata y cobre.
Referencia bibliográfica:
Lei Zhang, Yuanjun Zhou, Lu Guo, Weiwei Zhao, Anna Barnes, Hai-Tian Zhang, Craig Eaton, Yuanxia Zheng, Matthew Brahlek, Hamna F. Haneef, Nikolas J. Podraza, Moses H. W. Chan, Venkatraman Gopalan, Karin M. Rabe, Roman Engel-Herbert: Correlated metals as transparent conductors. Nature Materials (2015). DOI: 10.1038/nmat4493
Lei Zhang, Yuanjun Zhou, Lu Guo, Weiwei Zhao, Anna Barnes, Hai-Tian Zhang, Craig Eaton, Yuanxia Zheng, Matthew Brahlek, Hamna F. Haneef, Nikolas J. Podraza, Moses H. W. Chan, Venkatraman Gopalan, Karin M. Rabe, Roman Engel-Herbert: Correlated metals as transparent conductors. Nature Materials (2015). DOI: 10.1038/nmat4493