中国科学院物理研究所发现超带隙透明导体

东苑

据中国科学院物理研究所官网，透明导体兼具导电性与透明性，广泛应用于触控屏、太阳能电池、发光二极管、电致变色和透明显示等光电器件，成为现代信息与能源技术中不可或缺的核心材料。

目前主流的透明导体来源于掺杂本来透明的带隙材料（半导体或绝缘体），掺杂过程以牺牲部分透明性为代价来实现导电性，导电与透光之间相互制衡。为突破这一局限，一种无需掺杂的本征透明导体概念于 20 年前（2005 年）被提出，通过一种非常特殊的金属能带结构来实现理想透明，但至今从未在实际材料中被发现。

近日，中国科学院物理研究所 / 北京凝聚态物理国家研究中心光物理重点实验室的博士生吴正冉等在陆凌研究员的指导下，于一类有机电荷转移盐中首次实验发现了这种本征透明金属，并将这种新的透明波段起名为“超带隙”。

IT之家从官方介绍获悉，金属中的超带隙是指介于带内吸收和带间吸收之间的一段无吸收波段，和传统绝缘体带隙中没有光学吸收的原理一致；实现超带隙的特殊电子结构需要其金属带足够孤立，金属带带宽小于费米面与其他占据态和非占据态之间的能量差，使带内跃迁引起的吸收可以被金属带带宽截断，而此带内吸收的截断能量又小于带间吸收的起始能量，从而打开超带隙（图 a,b）。为了寻找这样的超带隙金属，研究团队的胡孝磊博士曾经对整个无机材料数据库做过高通量搜索，Phy. Rev. Materials 6, 065203 (2022)，但对应到实际体系却一无所获，绝大多数材料在实验上并不导电。



▲ 图：超带隙透明导体的理论原理、材料预言、和实验发现。
研究团队没有放弃，在最新的工作中，他们计算发现一类已知的有机导体 TMTTF2X 可以符合超带隙条件（图 c,d），并用电化学结晶生长了样品（图 e），块体单晶在预言的超带隙波段展现出显著的透明窗口（图 f,g），范围从可见红光至近红外，在 30 微米厚度下依然能透光。其最低的光学损耗（介电函数虚部）约为 0.01，这一数值在已知化学计量比金属中最低，与商用透明导电氧化物薄膜 (ITO) 持平，同时其色散与反射又均低于 ITO。这一工作首次在实验上将电子导电性与光学透明性结合于本征固体材料之中，开辟了通过超带隙实现透明导电的新路径。

相关成果以“Hyper-gap transparent conductor”为题发表在 Nature Materials 杂志。中国科学院物理研究所 L01 组博士生吴正冉为第一作者，SC08 组副研究员李春红协助生长了样品，L01 组已毕业的胡孝磊博士、博士生陈鲲、郭祥，及博士后李妍都参与了此工作，论文通讯作者为陆凌研究员。该项研究得到了国家自然科学基金委和中国科学院的资助。

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