Korrelierte Metalle – durchsichtig und elektrisch leitfähig

Indiumzinnoxid – kurz ITO – ist heute das Material der Wahl, wenn es in Smart­phones, Tablets oder Solar­zellen um durch­sichtige und elektrische leit­fähige Schichten geht. Doch mit wachsendem Bedarf steigen die Preise, vor allem wegen der weltweit geringen Indium-Vorkommen. An der Pennsylvania State University machte sich nun eine Forscher­gruppe auf die Suche nach Alter­nativen. Fündig wurden sie bei der Material­klasse der korre­lierten Metalle. Diese speziellen Metall­oxid-Verbin­dungen wie Strontium­vanadat oder Calcium­vanadat sind für sicht­bares Licht durch­lässig und besitzen sogar eine höhere Ladungs­träger­dichte als Indium­zinnoxid.

Durchsichtigkeit und elektrische Leit­fähig­keit sind zwei schwer verein­bare Eigen­schaften. In ITO-Schichten wird dieses Ziel durch eine Dotierung von Indium­oxid mit Zinn-Partikeln erreicht. Bei einer Ladungs­träger­dichte von höchstens 3 x 10²¹ /cm³ rangiert die elektrische Leit­fähig­keit bei etwa 10.000 Siemens pro Zenti­meter. Mindestens die drei­fachen Werte erreichen dagegen zwischen 4 und 45 Nanometer dünne Schichten aus Strontium­vanadat, die sich mit epitak­tischen Verfahren herstellen lassen. Zugleich zeigen die Materialien eine hohe Transparenz im sichtbaren Spektral­bereich.

Die Voraussetzungen für Durchsichtigkeit sind geringe Absorption und Reflexion für einfallende Photonen zwischen etwa 360 und 700 Nano­metern Wellen­länge. Nach Aussage der Forscher um Roman Engel-Herbert sind dafür in den korre­lierten Metallen starke Elektron-Elektron-Wechsel­wirkungen verant­wortlich. Dadurch zeigen diese Materialien eine Plasma­kante deutlich unterhalb von 1,75 Elektronen­volt. Am oberen Ende des Transparenz­fensters setzt eine Absorption erst bei Photonen mit einer Energie von etwa 3,3 eV ein. Theoretische Abschätzungen – basierend auf einem Modell eines freien Elektronen­gases – bestätigen diese verblüffenden Eigen­schaften der korre­lierten Metalle.

Strontium- und Calcium­vanadat bilden nur die ersten möglichen Material­kombinationen für leit­fähige Schichten mit hoher Transparenz. Über die Wahl anderer Metalle – basierend auf Berechnungen der Absorptions- und Reflexions­eigen­schaften – und eine bessere Kontrolle der Kristall­struktur könnten nun weitere transparente Strom­leiter mit den gewünschten elektro­nischen wie optischen Eigen­schaften synthetisiert werden. Aufbauend auf diesen Ergebnissen könnten korrelierte Metalle zu einer wirtschaftlich interessanten Alter­nativen zum teuren Indium­zinnoxid avancieren.

Jan Oliver Löfken

RK