6 月 2 日消息，據(jù)中國科學(xué)院物理研究所官網(wǎng)，透明導(dǎo)體兼具導(dǎo)電性與透明性，廣泛應(yīng)用于觸控屏、太陽能電池、發(fā)光二極管、電致變色和透明顯示等光電器件，成為現(xiàn)代信息與能源技術(shù)中不可或缺的核心材料。

目前主流的透明導(dǎo)體來源于摻雜本來透明的帶隙材料（半導(dǎo)體或絕緣體），摻雜過程以犧牲部分透明性為代價來實現(xiàn)導(dǎo)電性，導(dǎo)電與透光之間相互制衡。為突破這一局限，一種無需摻雜的本征透明導(dǎo)體概念于 20 年前（2005 年）被提出，通過一種非常特殊的金屬能帶結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)理想透明，但至今從未在實際材料中被發(fā)現(xiàn)。

近日，中國科學(xué)院物理研究所 / 北京凝聚態(tài)物理國家研究中心光物理重點實驗室的博士生吳正冉等在陸凌研究員的指導(dǎo)下，于一類有機電荷轉(zhuǎn)移鹽中首次實驗發(fā)現(xiàn)了這種本征透明金屬，并將這種新的透明波段起名為“超帶隙”。

IT之家從官方介紹獲悉，金屬中的超帶隙是指介于帶內(nèi)吸收和帶間吸收之間的一段無吸收波段，和傳統(tǒng)絕緣體帶隙中沒有光學(xué)吸收的原理一致；實現(xiàn)超帶隙的特殊電子結(jié)構(gòu)需要其金屬帶足夠孤立，金屬帶帶寬小于費米面與其他占據(jù)態(tài)和非占據(jù)態(tài)之間的能量差，使帶內(nèi)躍遷引起的吸收可以被金屬帶帶寬截斷，而此帶內(nèi)吸收的截斷能量又小于帶間吸收的起始能量，從而打開超帶隙（圖 a,b）。為了尋找這樣的超帶隙金屬，研究團隊的胡孝磊博士曾經(jīng)對整個無機材料數(shù)據(jù)庫做過高通量搜索，Phy. Rev. Materials 6, 065203 (2022)，但對應(yīng)到實際體系卻一無所獲，絕大多數(shù)材料在實驗上并不導(dǎo)電。

▲ 圖：超帶隙透明導(dǎo)體的理論原理、材料預(yù)言、和實驗發(fā)現(xiàn)。

研究團隊沒有放棄，在最新的工作中，他們計算發(fā)現(xiàn)一類已知的有機導(dǎo)體 TMTTF2X 可以符合超帶隙條件（圖 c,d），并用電化學(xué)結(jié)晶生長了樣品（圖 e），塊體單晶在預(yù)言的超帶隙波段展現(xiàn)出顯著的透明窗口（圖 f,g），范圍從可見紅光至近紅外，在 30 微米厚度下依然能透光。其最低的光學(xué)損耗（介電函數(shù)虛部）約為 0.01，這一數(shù)值在已知化學(xué)計量比金屬中最低，與商用透明導(dǎo)電氧化物薄膜 (ITO) 持平，同時其色散與反射又均低于 ITO。這一工作首次在實驗上將電子導(dǎo)電性與光學(xué)透明性結(jié)合于本征固體材料之中，開辟了通過超帶隙實現(xiàn)透明導(dǎo)電的新路徑。

相關(guān)成果以“Hyper-gap transparent conductor”為題發(fā)表在 Nature Materials 雜志。中國科學(xué)院物理研究所 L01 組博士生吳正冉為第一作者，SC08 組副研究員李春紅協(xié)助生長了樣品，L01 組已畢業(yè)的胡孝磊博士、博士生陳鯤、郭祥，及博士后李妍都參與了此工作，論文通訊作者為陸凌研究員。該項研究得到了國家自然科學(xué)基金委和中國科學(xué)院的資助。