武漢“85后”留美博士張磊、以第一作者身份，于12月14日在線發(fā)表在《自然-材料》雜志的最新研究成果——一種新的透明導電材料，吸引世界關注。該項研究成果可以使大屏幕顯示器、智能窗、觸摸屏和太陽能電池更加高效和廉價，成功地對自1977年由香農首次提出，以摻雜半導體來設計透明導電材料的原理，后被人們長期遵循的這種思路進行了挑戰(zhàn)。

　 　傳統(tǒng)的透明導材料——銦錫氧化物，在過去幾十年里一直占據市場主導地位，擁有90%以上的顯 示器市場份額。然而過去10年中，銦價格急劇上升，顯示器和觸摸屏模塊已經占據移動設備40%的生產成本。長期以來，內存芯片和中央處理器遵循摩爾定律， 變得越來越便宜，然而智能手機和平板顯示器因為尺寸效應，變得越來越昂貴。制造商一直在尋找銦錫氧化物可能的替代材料，但一直沒有發(fā)現(xiàn)有其它材料可以在光學透明性、導電性和易于制造上與之媲美。不久前，張磊所在的美國賓州州立大學“恩格爾-赫伯特研究小組”提出了一個新的材料設計策略。

　 　在新的材料設計中，沒有使用傳統(tǒng)寬禁帶半導體，比如銦錫氧化物或氧化鋅，而是使用了兩種不同尋常的10納米厚金屬薄膜——釩酸鍶和釩酸鈣。“這兩種材料 都屬于強關聯(lián)金屬，電子在強關聯(lián)金屬中表現(xiàn)出類似于‘液體’的性質，而在常規(guī)金屬，如銅、金、鋁、銀中，電子大多表現(xiàn)出類似于‘氣體’的性質，常規(guī)金屬一 般表現(xiàn)出高反射和高吸收的特性。”在文章中，作者解釋為什么強關聯(lián)金屬在保持金屬高導電性的同時，光學性質與常規(guī)金屬相比有著極大的提升。

　 　“通過改變電子的有效質量，我們使金屬變得更加透明。”賓州州立大學材料科學與工程專業(yè)助理教授恩格爾-赫伯特介紹：他們選擇了一種電子間相互作用大于 其動能的材料，由于電子強關聯(lián)作用，電子能“感覺”到彼此，從而使其性質類似于“液體”，而不是沒有相互作用的“氣體”。這種電子“液體”仍然非常導電， 但是可見光波段的反射卻大大降低，從而提高了透明度。目前，該研究小組正在與美國科學促進會院士、羅格斯大學材料理論專家卡琳·拉貝教授合作，研究人員相 信他們會找到很多像釩酸鍶(鈣)的材料。

　　新的材料設計策略是張磊第一個意識到并發(fā)現(xiàn)的，也是該發(fā)表文章的第一作者。張磊于1985年出生于武漢，曾就讀于武漢大學，目前為“恩格爾-赫伯特研究小組”的博士研究生，在加入研究小組之前，他曾作為工藝整合工程師在美國硅谷工作過兩年。

　 　“許多公司甚至是初創(chuàng)公司，都在努力地優(yōu)化銦錫氧化物，并尋找其潛在的替代品。然而通過在同類材料中做優(yōu)化和改進，得到的提升空間十分有限。”張磊介 紹，做了相關電氣測量后，自己發(fā)現(xiàn)強關聯(lián)金屬材料將會是銦錫氧化物非常可能的替代品。目前，銦售價大約是每公斤750美元，而釩酸鍶(鈣)的組成元素在地 殼中蘊藏量更多;釩的售價為大約是每公斤25美元，而鈣鍶比釩更為廉價。“強關聯(lián)金屬薄膜與銦錫氧化物薄膜的結構相似。從我們的理解來看，釩酸鍶(鈣)完 全可以使用相同的制造設備生產。”恩格爾-赫伯特表示。

　　同時，《自然-材料》編輯特邀美國化學學會無機化學及固體化學分會主席、美國 西北大學催化及表面科學研究中心主任肯尼斯·珀佩爾邁爾教授、西北大學理論材料學家詹姆斯·龍迪內利教授為文章撰寫新聞稿，并發(fā)表在同期雜志的《新聞與展 望》部分。肯尼斯·珀佩爾邁爾教授和詹姆斯·龍迪內利教授高度評價了這項工作，他們認為張磊和恩格爾-赫伯特的文章，成功地對自1977年由香農首次提 出，以摻雜半導體來設計透明導電材料的原理，后被人們長期遵循的這種思路進行了挑戰(zhàn)，并且從實驗和理論上證明了本征強關聯(lián)金屬也可以被用作為透明導電材料。