Uma coleção de filmes metálicos de estrôncio e óxido de vanádio (SrVO3) de espessura crescente. Crédito: ICMAB-CSIC

Os elétrons de alguns óxidos metálicos, devido à sua grande massa efetiva quando acoplados à rede iônica do material, não podem seguir o campo elétrico da luz e permitir que ele 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 de Materiais de Barcelona (ICMAB-CSIC), propõem 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. 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 é distorcida ao seu redor. 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 Advanced Science.

Os 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 os 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 da luz, são forçados a oscilar e irradiam luz na mesma frequência em que recebem a luz. Isso significa que os metais tendem a brilhar, pois refletem a luz que os atinge. Além disso, isso os torna opacos, uma vez que a luz não passa por eles. Em alguns materiais, os elétrons são mais pesados ​​e não podem seguir as oscilações causadas pelo campo elétrico da luz tão rapidamente e não podem refleti-lo, mas deixá-lo 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 utilizado em painéis solares, em LEDs, em telas LED ou OLED de cristal líquido e até mesmo no revestimento de pára-brisas de aeronaves. Mas o índio é um metal muito raro. De facto, com a elevada produção de ecrãs tácteis e a expansão da energia fotovoltaica, estima-se que esteja 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 finas camadas desse material metálico, surpreendentemente, são transparentes, algo que teria que ser relacionado a uma grande massa efetiva de seus elétrons livres.

Manuseio de um filme transparente de óxido de estrôncio e vanádio (SrVO3) com apenas alguns nanômetros de espessura. Crédito: ICMAB-CSIC

“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, dos óxidos metálicos, movem-se em uma matriz de íons (positivos e negativos) . Esta 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. Esse acoplamento entre o elétron e a rede é chamado de polaron e é mais pesado do que o elétron livre, então a massa efetiva do elétron é maior, o que explicaria a transparência do material à luz visível, pois ele 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 disso, esta nova teoria propõe que a interação entre os 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 havia sido visto que poderia haver uma relação, mas nunca havia sido analisada em profundidade. Além disso, além de verificar a teoria no estrôncio e no óxido de vanádio, ela foi analisada em outros óxidos metálicos e em alguns isolantes 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 trabalho paciente e meticuloso de Mathieu Mirjolet, pesquisador pré-doutorado do ICMAB, tornou isso possível. Não sei se foi a descoberta mais relevante da minha carreira, pois não sei o que ainda está por vir, mas posso garantir que é uma das melhores formas de ilustrar meu genuíno prazer em olhar 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), da Universidade de Friburgo (Alemanha) e da Universidade de Frankfurt (Alemanha).

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