Light·封面 | 远红外透明导电材料

▍本文由论文作者团队（课题组）投稿

透明导电材料被广泛应用于平板显示器、太阳能电池以及新兴的柔性透明电子产品等。目前，人们已经开发出了可见光、近红外和中红外波段的透明导电材料，但远红外波段的透明导电材料尚未研制成功，这限制了远红外电磁屏蔽、红外热伪装、光探测、生物传感等技术领域的发展。

高的远红外透明性需要材料在8-12 μm波段内具有极低的光吸收率。高的导电性需要材料具有高的载流子浓度和迁移率。然而，由于载流子在输运电流的同时不可避免地会引起带内跃迁吸收，所以高的远红外透明性与高的导电性之间存在一定的冲突，这是限制远红外透明导电材料发展的经典问题。

近日，哈尔滨工业大学朱嘉琦教授、吉林大学胡超权教授、沈亮教授团队在远红外透明导电材料领域取得了突破性成果。

他们首次提出通过增大光学介电常数实现远红外透明导电协同的全新策略，由此发展了以少电子多中心键为特征的远红外透明导电材料家族。

该成果以“Far-infrared transparent conductors”为题发表在Light: Science & Applications。论文通讯作者为哈尔滨工业大学朱嘉琦教授、吉林大学胡超权教授和沈亮教授。第一作者为吉林大学胡超权教授，第二作者为吉林大学硕士毕业生周子剑。本工作特别感谢国家自然科学基金委重点项目（52032004）的资助。

图1展示了本论文的研发策略与新材料。

首先，研究团队发现了一种不同于传统化学键的特殊键合——少电子多中心键，由这种键合组成的材料由于具有强电子位移极化效应而具有极大的光学介电常数（εₒₚₜ）（图1a）。

然后，该团队发现低离化度、低杂化度和低饱和度是少电子多中心键形成的必要条件，并据此预测出八面体构型的重金属硫属化合物及其固溶体是一类高εₒₚₜ材料（图1b）。

通过4个材料体系的验证实验，证明了含有浅能级缺陷的高εₒₚₜ材料确实具有优异的远红外透明导电性质，填补了远红外透明导电材料的空白（图1c）。

最后，该团队利用这些高εₒₚₜ材料研制出第一种“连续膜”型远红外电磁屏蔽器，性能优于传统屏蔽器（图1d）。

这种新材料也可以应用于其他技术领域，例如远红外光电探测器（图 1e）。

图1: 远红外透明和导电的材料设计。（a）等离子体吸收边和光学介电常数之间的正相关性。（b）少电子多中心键的三个形成条件，以及研究团队设计的八面体构型重金属硫族化物及其固溶体。（c）传统透明导电材料以及新开发材料的等离子体吸收边和室温导电率。（d）“连续膜”型远红外电磁屏蔽器。（e）远红外光电探测器。

相较于大家熟知的可见光透明导电材料ITO，该团队研发的远红外波段的透明导电材料有望在光电探测器、隐形传感器等领域发挥作用，填补传统ITO无法触及的技术空白。红外透明与导电难协同这一瓶颈问题的解决将为红外光电子物理、材料和器件的发展铺平道路。

| 论文信息 |

Hu, C., Zhou, Z., Zhang, X. et al. Far-infrared transparent conductors. Light Sci Appl 12, 98 (2023).

https://doi.org/10.1038/s41377-023-01139-w

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