Человеку, далекому от оптоэлектроники, интуитивно кажется, что оптическая прозрачность и проводимость – свойства не совместимые: прозрачные материалы – это, например, оконное стекло, проводящие – это металлы, и у них ничего общего. Те, кто знаком с устройством дисплеев и солнечных батарей, тем не менее знают, что прозрачные электроды существуют, и спрос на эти материалы быстро растет. Самым распространенным среди таких материалов на сегодняшний день, вне всякого сомнения, является легированный оксидом олова In2O3 (ITO), первое сообщение о котором появилось в 1954 году и который до сих пор не собирается сдавать своих позиций из-за его низкого удельного сопротивления, возможности травления и легкого масштабирования. Тем не менее, в последнее время появился ряд вопросов к ITO, главный из которых в том, что поставки индия оценены как «критические» уже несколькими агентствами. Например, несмотря на то, что одним из основных преимуществ органических светодиодов по сравнению с неорганическими является их более низкая цена, стоимость прозрачного анода из ITO практически сводит это преимущество на нет. Однако еще более важным является другое: с развитием органической оптоэлектроники все возрастает спрос на гибкие прозрачные проводники, которые могут быть получены на пластиковых подложках.
В качестве альтернативы ITO были изучены и другие оксидные материалы, такие, как легированные ZnO и TiO2, и так как оба этих материала хорошо известны как прозрачные проводники еще с 1950 года, развитие их промышленного производства сегодня является основным направлением исследования. Недавно были опубликованы концепты «прозрачных проводящих материалов нового поколения», например, 12CaO·7Al2O3 с уникальной электронной структурой, кубический SrGeO3, графеновые материалы, в которых электроны проводимости ведут себя как частицы Дирака.
Еще одним новым классом материалов с уникальной электронной природой являются топологические изоляторы (ТИ). Хотя в виде порошков эти материалы являются диэлектриками с большой шириной запрещенной зоны, их поверхность имеет металлический характер с нулевой запрещенной зоной. Дно зоны проводимости и потолок валентной зоны связаны линейными зонами (конусом Дирака). Большинство из этих соединений представляют собой слоистые соединения висмута. Из-за большой константы спин-орбитального взаимодействия висмута появляется возможность создания локального магнитного поля без использования внешнего магнитного поля. В объемном материале ток все равно не появляется, зато он появляется на поверхности.
Поверхностные электроны ТИ ведут себя как безмассовые электроны Дирака, как в графене, а на поверхности ТИ образуется спин-поляризованный ток без использования внешнего магнитного поля.
По данным Пенга с сотрудниками, опубликованным в Nature Chemistry, ТИ на основе Bi2Se3 обладают сопротивлением 330 Ом/sq (3,3×103 S/см), что сопоставимо с проводимостью коммерчески доступного ITO. Их оптическая прозрачность для видимого излучения пока оставляет желать лучшего и составляет ~50%, зато прозрачность в ближней инфракрасной области превышает 85%.
Пенг также указывает, что гибкость тонких пленок Bi2Sе3 выше, чем у пленок ITO как по минимальной кривизне разрыва, так и по устойчивости к последовательному циклическому изгибанию. Его устойчивость к воздействию кислородной плазмы, которая необходима для травления, выше, чем у графена. Печально, что и висмут, и селен ядовиты и потому не пригодны для промышленного применения, но ученые предсказывают рост числа прозрачных проводников, относящихся к этому классу.
