Os elétrons de alguns óxidos de metal, devido à sua grande massa efetiva quando acoplada com a rede iônica do material, não pode seguir o campo elétrico da luz e permitir que atravesse o material. Materiais transparentes e condutores são usados ​​em telas sensíveis ao toque de smartphones e painéis solares para energia fotovoltaica.

Pesquisadores do Instituto de Ciência dos Materiais de Barcelona (ICMAB-CSIC), propor uma nova teoria para explicar a transparência dos óxidos metálicos, que são usados ​​nas telas sensíveis ao toque de smartphones e tablets, bem como nas células solares usadas na energia fotovoltaica. Os cientistas apontam que a massa efetiva de elétrons nesses tipos de materiais é grande devido à formação de polarons ou acoplamentos entre os elétrons em movimento e a rede iônica do material, que está distorcido em torno dele. Esses elétrons não podem oscilar rapidamente seguindo o campo elétrico da luz e deixá-lo passar em vez de refleti-lo. Até agora, a teoria aceita para explicar essa transparência apontava para as interações entre os próprios elétrons. O estudo foi publicado na revista Ciência Avançada .

Materiais, em geral, são transparentes à luz visível quando os fótons de luz não podem ser absorvidos pelo material e passar por ele sem serem interrompidos por interações com elétrons. A presença de cargas livres (elétrons) é uma característica fundamental dos metais, que são condutores por natureza. Nestes materiais, os elétrons, sob a influência do campo elétrico de luz, são forçados a oscilar, e eles irradiam luz na mesma frequência que recebem a luz. Isso significa que os metais tendem a brilhar, porque eles refletem a luz que os atinge. Além disso, isso os torna opacos, já que a luz não passa por eles. Em alguns materiais, elétrons são mais pesados, e não pode seguir as oscilações causadas pelo campo elétrico da luz tão rapidamente, e não pode refletir isso, mas deixe-o passar pelo material sem interagir; o material é então transparente.

Procurando alternativas

As telas sensíveis ao toque em smartphones e tablets são feitas de um material transparente e condutor. A maioria deles é feita de óxido de índio e estanho (ITO), um material que é um semicondutor. Este material também é usado em painéis solares, em LEDs, em telas de cristal líquido LED ou OLED, e até mesmo nos revestimentos de pára-brisas de aeronaves. Mas o índio é um metal muito raro. Na verdade, com a alta produção de telas sensíveis ao toque e a expansão da energia fotovoltaica, estima-se que estará concluído antes de 2050. Daí a importância de encontrar substitutos. Pesquisadores do ICMAB-CSIC estudaram filmes finos de óxido metálico de estrôncio e óxido de vanádio. O que eles descobriram é que camadas finas deste material metálico, surpreendentemente, são transparentes, algo que teria que estar relacionado a uma grande massa efetiva de seus elétrons livres.

“Achamos que o aumento da massa efetiva dos elétrons se deve ao seu acoplamento com a rede cristalina. Os elétrons do estrôncio e do óxido de vanádio e, em geral, de óxidos de metal, mover em uma matriz de íons (positivo e negativo). Essa rede se deforma com o elétron em movimento e essa distorção se move com ele. Seria como um elétron vestido com uma distorção da rede movendo-se através do material. Este acoplamento entre o elétron e a rede é chamado de polaron e é mais pesado que o elétron livre, então a massa efetiva do elétron é maior, o que explicaria a transparência do material à luz visível, uma vez que não consegue acompanhar as oscilações do campo de luz elétrica e deixa-o passar, "explica Josep Fontcuberta, Pesquisador do CSIC no ICMAB-CSIC e líder deste estudo.

Este novo modelo rompe com o paradigma estabelecido até agora no campo da física da matéria condensada; As interações de Coulomb entre elétrons eram aceitas para governar as propriedades dos óxidos metálicos. Em vez de, esta nova teoria propõe que a interação entre elétrons e a rede de íons desempenha um papel crucial.

O estudo contém uma análise abrangente e sem precedentes de algumas das propriedades elétricas e ópticas que são descritas pelo cenário polaron. "Em estudos anteriores, foi visto que poderia haver um relacionamento, mas nunca foi analisado em profundidade. Além disso, além de verificar a teoria em óxido de estrôncio e vanádio, foi analisado em outros óxidos metálicos e em alguns isoladores dopados, e suas previsões foram consideradas verdadeiras, "explica Fontcuberta.

"Este estudo, entre outras coisas, é o resultado de uma caracterização muito exaustiva das propriedades elétricas e ópticas de dezenas de camadas finas do material em questão. É também o resultado de uma análise muito cuidadosa dos dados, que revelou algumas discrepâncias com cenários e teorias estabelecidas há muito tempo. O paciente e meticuloso trabalho de Mathieu Mirjolet, Pesquisador predoctoral ICMAB, tornou isso possível. Não sei se foi a descoberta mais relevante da minha carreira, já que não sei o que ainda está por vir, mas posso assegurar-lhe que é uma das melhores maneiras de ilustrar meu genuíno prazer em olhar para a ciência e a vida de outro ponto de vista, "acrescenta Fontcuberta.

Esses resultados vêm de uma colaboração entre os pesquisadores do ICMAB, Josep Fontcuberta e Mathieu Mirjolet, do grupo MULFOX, com pesquisadores da Universidade de Santiago de Compostela (Espanha), a Universidade de Friburgo (Alemanha) e a Universidade de Frankfurt (Alemanha).