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一组厚度逐渐增加的锶、钒金属氧化物(srvo3)薄片（图片来源：icmab-csic）

  部分金属氧化物的电子与材料中的离子晶格耦合，因而有效质量较大，无法跟随光子形成的电场（振荡），从而使得光线能够穿透该材料。这些透明、导电的材料能够用于制造智能手机的触摸屏和收集光电能量的太阳能板。

  巴塞罗那材料科学研究所（icmab-csic）的科研团队提出了一种解释金属氧化物透明度的新理论，这些（透明的）金属氧化物被用于智能手机和平板电脑的触摸屏以及收集光电能量的太阳能面板的制造。研究人员指出，这类材料中电子的有效质量非常高，这是因为运动中的电子与材料中的离子晶格间形成了极化子或发生了耦合，并在其周围发生了扭曲。这些电子无法跟随光形成的电场快速振荡，因而可见光无法反射而是穿透该材料。在此之前，广为学界认可的理论将金属氧化物的透明度与电子本身之间的相互作用联系在一起。这项研究发表于advanced science（《尖端科学》）杂志。

  通常来讲，某种材料之所以对可见光透明是因为光子既无法被这种材料吸收，也不与材料中的电子相互作用，能够畅通无阻地穿过该材料。金属中存在自由电荷（电子），自然属于导体。金属中的电子在光产生的电场的影响下受迫振荡，并以与入射光相同的频率将其反射出去，所以金属反射到达其表面的光线并显示出金属光泽。而某些材料中的电子较重，不能以光形成的电场的频率振荡，因此光线无法被反射而是直接穿透它们，这样这些材料便是透明的了。

  寻找替代品

  智能手机和平板电脑的触摸屏由透明且导电的材料制成。其中大部分采用的是氧化铟锡，一种半导体材料。该材料广泛用于太阳能板、led和oled液晶显示器以及飞行器挡风玻璃涂层。然而铟是一种稀有金属，据估计，随着触摸屏产量的提高以及光电能源的扩张，它将于2050年之前枯竭。因此迫切需要寻找替代品。icmab-csic的研究人员研究了金属锶和钒的氧化物薄膜。他们惊奇地发现这些金属氧化物薄片是透明的，原因或许正是其中自由电子的有效质量较大。

一块纳米厚度的金属锶、钒氧化物透明薄片 （图片来源： icmab-csic）

  icmab-csic中的研究员、该研究的领导者josep fontcuberta谈到，“我们认为电子有效质量的增加和它们与晶体中晶格的耦合有关。锶、钒氧化物和普通金属氧化物的电子移动进一个离子（包括正离子和负离子）晶格，后者将随运动的电子变形。这就好比一个电子拖着变形的晶格在金属中移动。电子和晶格耦合后称作极化子，它比自由电子更重，有效质量更高，这样便能够解释这些材料在可见光下呈现透明这一现象（极化子由于质量太大而无法随光子形成的电场一起振荡，从而使得光线可以穿透该材料）。”

几种不同的氧化钒结构图 （图片来源： wikipedia）

  这个新模型打破了迄今为止在凝聚态物理领域建立的范式，即金属氧化物的性质由电子之间的库仑相互作用控制。相反，新理论提出电子和离子晶格之间的相互作用起着至关重要的作用。

  该研究对极化子相关的电、光学特性进行了全面且前所未有的分析。fontcuberta介绍称，“在以前的研究中曾隐约捕捉到其中存在的关联，但从未进行过深入分析。而在这项研究中，除了利用锶和钒氧化物验证该理论的正确性以外，还分析了其他金属氧化物和一些掺杂绝缘体，结果均显示他们的预测是正确的。”

  fontcuberta补充说，“此外，这项研究基于对数十个薄金属层的电、光学特性进行的详尽表征。这也是对数据进行非常仔细分析的结果，它揭示了与一些不同于过往的现象和理论。icmab前博士研究员mathieu mirjolet耐心细致的工作使（建立）这项新理论成为可能。我不确定这是否是与我职业生涯最相关的发现，因为我不知道接下来还会发生什么；但我可以向你保证，这是一种最好的方式来说明我从另外的角度看待科学和生活中获得的真诚乐趣。”

  这些结果源于mulfox小组的icmab研究人员josep fontcuberta和mathieu mirjolet、圣地亚哥德孔波斯特拉大学（西班牙）、弗莱堡大学（德国）和法兰克福大学（德国）的研究人员之间的合作。

  翻译：张宇哲

  审校：董子晨曦

  引进来源：巴塞罗那材料科学研究所

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