透明導體兼具導電性與透明性，廣泛應用于觸控屏、太陽能電池、發光二極管、電致變色和透明顯示等光電器件，成為現代信息與能源技術中不可或缺的核心材料。目前主流的透明導體來源于摻雜本來透明的帶隙材料（半導體或絕緣體），摻雜過程以犧牲部分透明性為代價來實現導電性，導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構來實現理想透明，但至今從未在實際材料中被發現。
近日，中國科學院物理研究所/北京凝聚態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下，于一類有機電荷轉移鹽中首次實驗發現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”。金屬中的超帶隙是指介于帶內吸收和帶間吸收之間的一段無吸收波段，和傳統絕緣體帶隙中沒有光學吸收的原理一致；實現超帶隙的特殊電子結構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態和非占據態之間的能量差，使帶內躍遷引起的吸收可以被金屬帶帶寬截斷，而此帶內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對整個無機材料數據庫做過高通量搜索，Phy. Rev. Materials 6, 065203 (2022)，但對應到實際體系卻一無所獲，絕大多數材料在實驗上并不導電。
研究團隊沒有放棄，在最新的工作中，他們計算發現一類已知的有機導體TMTTF2X可以符合超帶隙條件（圖c,d），并用電化學結晶生長了樣品（圖e），塊體單晶在預言的超帶隙波段展現出顯著的透明窗口（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。其最低的光學損耗（介電函數虛部）約為0.01，這一數值在已知化學計量比金屬中最低，與商用透明導電氧化物薄膜(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電性與光學透明性結合于本征固體材料之中，開辟了通過超帶隙實現透明導電的新路徑。
相關成果以“Hyper-gap transparent conductor”為題發表在Nature Materials雜志。中國科學院物理研究所L01組博士生吳正冉為第一作者，SC08組副研究員李春紅協助生長了樣品，L01組已畢業的胡孝磊博士、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基金委和中國科學院的資助。
原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41563-025-02248-0
圖：超帶隙透明導體的理論原理、材料預言、和實驗發現。
a, 超帶隙導體的電子結構示意圖； b, 對應的聯合態密度（JDOS）及光學吸收； c, (TMTTF)2SbF6的電子結構；d, 晶體結構；e, 樣品在透射光下的顯微照片, 晶體置于不透光的文字之上；f, 晶體的JDOS；g, 晶體的透射譜（上）與反射譜（下），以及相應的晶體照片(插圖)。