Durchsichtige Stromleiter aus korrellierten Metallen

Durchsichtig und elektrisch leitfähig zugleich: Diese Anforderungen erfüllen nur sehr wenige Materialien. Zu den wichtigsten zählt Indiumzinnoxid, das in dünnen Schichten in Displays, Solarzellen und organischen Leuchtdioden genutzt wird. Da mit steigendem Bedarf auch die Kosten – vor allem für das Metall Indium – steigen, wird nach günstigeren Alternativen gesucht. Fündig wurden Wissenschaftler nun bei speziellen Metalloxidverbindungen. Wie sie in der Fachzeitschrift „Nature Materials“ berichten, sind diese sogenannten korrelierten Metalle für sichtbares Licht durchlässig und leiten elektrischen Strom sogar noch besser als Indiumzinnoxid.

„Durchsichtigkeit verlangt nach geringer Absorption und Reflexion von Lichtteilchen“, erläutern Roman Engel-Herbert und seine Kollegen von der amerikanischen Pennsylvania State University. Für die elektrische Leitfähigkeit muss zugleich die Konzentration an Ladungsträgern wie Elektronen möglichst hoch sein. Genau diese beiden Bedingungen sahen die Wissenschaftler in zwei Metalloxiden, Strontiumvanadat und Calciumvanadat, erfüllt. Aus diesen korrelierten Metallen fertigten sie mit epitaktischen Verfahren 4 bis 45 Nanometer dünne Schichten und überprüften sie auf ihre physikalischen Eigenschaften.

Beide Verbindungen zeigten wegen ihrer hohen Konzentration an Ladungsträgern eine gute elektrische Leitfähigkeit von bis zu 35 000 Siemens pro Quadratzentimeter. Damit konnten sie elektrischen Strom sogar besser leiten als das bisher oft genutzte Indiumzinnoxid mit etwa 10 000 Siemens pro Quadratzentimeter. Photonen im sichtbaren Spektralbereich wurden von beiden Verbindungen nur unwesentlich verschluckt oder reflektiert. Alle gefertigten Materialproben waren daher transparent. Verantwortlich für diese Eigenschaften waren die elektronischen Eigenschaften der beiden Kristalltypen mit einem für die Transparenz optimalen Aufbau der Valenz- und Leitungsbänder für Elektronen.

Aufbauend auf diesen Ergebnissen, die Engel-Herbert und Kollegen zusätzlich mit einem theoretischen Modell untermauerten, könnten korrelierte Metalle zu einer wirtschaftlich interessanten Alternativen zu teurem Indiumzinnoxid avancieren. Weitere Materialkombinationen, bei denen Strontium und Calcium durch andere Metalle ersetzt werden, könnten sogar noch höhere Ladungsträgerdichten ermöglichen.