Оксид индия-олова ( ITO ) представляет собой тройную композицию индия , олова и кислорода в различных пропорциях . В зависимости от содержания кислорода его можно описать как керамику или сплав . Оксид индия и олова обычно встречается в виде насыщенной кислородом композиции с содержанием 74% In, 8% Sn и 18% O по массе. Насыщенные кислородом составы настолько типичны, что ненасыщенные составы называют кислорододефицитными ITO . В тонких слоях он прозрачный и бесцветный, а в массе — от желтоватого до серого цвета. В инфракрасной области спектра он действует как металлическое зеркало.
Оксид индия-олова является одним из наиболее широко используемых прозрачных проводящих оксидов из-за его электропроводности и оптической прозрачности , легкости, с которой его можно наносить в виде тонкой пленки, а также его химической стойкости к влаге. Как и во всех прозрачных проводящих пленках, необходимо найти компромисс между проводимостью и прозрачностью, поскольку увеличение толщины и увеличение концентрации носителей заряда увеличивает проводимость пленки, но снижает ее прозрачность.
Тонкие пленки оксида индия и олова чаще всего наносятся на поверхности методом физического осаждения из паровой фазы . Часто используется электронно-лучевое испарение или ряд методов напыления .
ITO представляет собой смешанный оксид индия и олова с температурой плавления в диапазоне 1526–1926 °C (1800–2200 K , 2800–3500 °F), в зависимости от состава. Наиболее часто используемый материал представляет собой оксид состава ок. В 4 Сн. Материал представляет собой полупроводник n-типа с большой запрещенной зоной около 4 эВ. ITO является прозрачным для видимого света и относительно проводящим. Она имеет низкое удельное электросопротивление ~10 -4 Ом ·см, а тонкая пленка может иметь оптическое пропускание более 80%. [1] Эти свойства с большим преимуществом используются в приложениях с сенсорными экранами, таких как мобильные телефоны .
Оксид индия и олова (ITO) представляет собой оптоэлектронный материал, широко применяемый как в исследованиях, так и в промышленности. ITO можно использовать во многих приложениях, таких как плоские дисплеи, интеллектуальные окна, электроника на основе полимеров, тонкопленочные фотоэлектрические устройства, стеклянные двери морозильных камер супермаркетов и архитектурные окна. Более того, тонкие пленки ITO для стеклянных подложек могут быть полезны для стеклянных окон с точки зрения экономии энергии. [2]
Зеленые ленты ITO используются для производства электролюминесцентных, функциональных и полностью гибких ламп. [3] Кроме того, тонкие пленки ITO используются в основном в качестве антиотражающих покрытий, а также для жидкокристаллических дисплеев (ЖК-дисплеев) и электролюминесценции, где тонкие пленки используются в качестве проводящих прозрачных электродов. [4]
ITO часто используется для изготовления прозрачного проводящего покрытия для таких дисплеев, как жидкокристаллические дисплеи , OLED -дисплеи, плазменные дисплеи , сенсорные панели и приложения для электронных чернил . Тонкие пленки ITO также используются в органических светодиодах , солнечных элементах , антистатических покрытиях и защите от электромагнитных помех. В органических светодиодах ITO используется в качестве анода (слоя инжекции дырок).
Пленки ITO, нанесенные на лобовые стекла, используются для размораживания лобовых стекол самолетов. Тепло генерируется путем приложения напряжения к пленке. ITO также используется для отражения электромагнитного излучения . Фонарь F-22 Raptor имеет покрытие ITO, которое отражает радиолокационные волны, повышая его скрытность и придавая ему характерный золотой оттенок. [5]
ITO также используется для различных оптических покрытий , в первую очередь покрытий, отражающих инфракрасное излучение ( горячие зеркала ) для автомобилей, и стекол для ламп на парах натрия . Другие области применения включают газовые датчики , [6] просветляющие покрытия , электросмачивание диэлектриков и брэгговские отражатели для лазеров VCSEL . ITO также используется в качестве ИК-отражателя для оконных стекол с низким энергопотреблением. ITO также использовался в качестве покрытия сенсора в более поздних камерах Kodak DCS , начиная с Kodak DCS 520, как средство увеличения отклика синего канала. [7]
Тонкопленочные тензорезисторы ITO могут работать при температурах до 1400 °C и могут использоваться в суровых условиях, например, в газовых турбинах , реактивных двигателях и ракетных двигателях . [8]
Из-за высокой стоимости и ограниченности поставок индия, хрупкости и недостаточной гибкости слоев ITO, а также дорогостоящего осаждения слоев, требующего вакуума, исследуются альтернативные методы получения ITO и альтернативных материалов. [9] Перспективные альтернативы на основе оксида цинка, легированного различными элементами. [10]
Некоторые примеси переходных металлов в оксиде индия, особенно молибдена, дают гораздо более высокую подвижность электронов и проводимость, чем полученные с оловом. [11] В качестве альтернативных материалов были предложены легированные бинарные соединения, такие как оксид цинка , легированный алюминием (AZO) и оксид кадмия, легированный индием . Другие неорганические альтернативы включают оксид цинка, легированный алюминием , галлием или индием (AZO, GZO или IZO).
Проводящие покрытия из углеродных нанотрубок являются перспективной заменой. [12] [13]
В качестве еще одной альтернативы на основе углерода пленки графена являются гибкими и, как было показано, обеспечивают прозрачность 90% при более низком электрическом сопротивлении, чем стандартный ITO. [14] Тонкие металлические пленки также рассматриваются как потенциальный материал-заменитель. Альтернативой гибридному материалу, которая в настоящее время тестируется, является электрод, изготовленный из серебряных нанопроволок и покрытый графеном . Преимущества таких материалов включают сохранение прозрачности и одновременно электропроводность и гибкость. [15]
Для некоторых применений ITO также разрабатываются проводящие по своей природе полимеры (ICP). [16] [17] Обычно проводимость проводящих полимеров, таких как полианилин и PEDOT :PSS, ниже, чем у неорганических материалов, но они более гибкие, менее дорогие и более экологически чистые при обработке и производстве.
Для снижения содержания индия, уменьшения сложности обработки и улучшения электрической однородности были разработаны аморфные прозрачные проводящие оксиды. Один из таких материалов, аморфный оксид индия-цинка, сохраняет ближний порядок, даже несмотря на то, что кристаллизация нарушается из-за разницы в соотношении кислорода к атомам металла между In 2 O 3 и ZnO. Оксид индия-цинка имеет некоторые свойства, сравнимые с ITO. [18] Аморфная структура остается стабильной даже до 500 °C, что позволяет выполнять важные этапы обработки, обычные для органических солнечных элементов . [9] Улучшение однородности значительно повышает удобство использования материала в случае органических солнечных элементов . Области плохой работы электродов в органических солнечных элементах делают часть площади элемента непригодной для использования. [19]
ITO широко используется в качестве высококачественной гибкой подложки для производства гибкой электроники. [20] Однако гибкость этой подложки снижается по мере улучшения ее проводимости. Предыдущие исследования показали, что механические свойства ITO можно улучшить за счет увеличения степени кристалличности . [21] Легирование серебром (Ag) может улучшить это свойство, но приводит к потере прозрачности. [22] Усовершенствованный метод внедрения наночастиц Ag (AgNP) вместо гомогенного для создания гибридного ITO оказался эффективным в компенсации снижения прозрачности. Гибридный ITO состоит из доменов одной ориентации, выращенных на AgNP, и матрицы другой ориентации. Домены прочнее матрицы и действуют как барьеры для распространения трещин, значительно повышая гибкость. Изменение удельного сопротивления при увеличении изгиба в гибридном ITO существенно уменьшается по сравнению с гомогенным ITO. [23]
ITO обычно осаждается с помощью дорогостоящих и энергоемких процессов, связанных с физическим осаждением из паровой фазы (PVD). К таким процессам относится напыление , в результате которого образуются хрупкие слои. [ нужна цитация ] Альтернативный процесс, в котором используется метод на основе частиц, известен как процесс литья ленты. Поскольку это метод, основанный на частицах, наночастицы ITO сначала диспергируются, а затем помещаются в органические растворители для обеспечения стабильности. Было показано , что бензилфталатный пластификатор и связующее вещество поливинилбутираль полезны при приготовлении суспензий наночастиц . После завершения процесса отливки ленты характеристики зеленых лент ITO показали, что оптимальная передача возросла примерно до 75% с нижним пределом электрического сопротивления 2 Ом·см. [3]
Использование наночастиц ITO накладывает ограничения на выбор подложки из-за высокой температуры, необходимой для спекания . В качестве альтернативного исходного материала наночастицы сплава In-Sn позволяют использовать более разнообразный диапазон возможных подложек. [24] Сначала формируется непрерывная проводящая пленка из сплава In-Sn, после чего проводится окисление для обеспечения прозрачности. Этот двухэтапный процесс включает термический отжиг, который требует особого контроля атмосферы и увеличения времени обработки. Поскольку металлические наночастицы можно легко превратить в проводящую металлическую пленку под воздействием лазера, для достижения однородной морфологии продуктов применяется лазерное спекание . Лазерное спекание также легко и дешевле в использовании, поскольку его можно выполнять на воздухе. [25]
Например, используя традиционные методы, но изменяя условия окружающего газа для улучшения оптоэлектронных свойств [26] , поскольку, например, кислород играет важную роль в свойствах ITO. [27]
Численное моделирование плазмонных металлических наноструктур показало большой потенциал в качестве метода управления светом в солнечных фотоэлектрических (ФЭ) ячейках из гидрогенизированного аморфного кремния (a-Si:H) с рисунком нанодисков. Проблема, которая возникает при использовании фотоэлектрических устройств с плазмонным усилением, заключается в необходимости использования «сверхтонких» прозрачных проводящих оксидов (TCO) с высоким коэффициентом пропускания и достаточно низким удельным сопротивлением, чтобы их можно было использовать в качестве верхних контактов/электродов устройства. К сожалению, большая часть работ по TCO проводится на относительно толстых слоях, и в нескольких зарегистрированных случаях тонкого TCO было отмечено заметное снижение проводимости. Чтобы преодолеть эту проблему, можно сначала вырастить толстый слой, а затем химически сбрить его, чтобы получить тонкий слой, цельный и обладающий высокой проводимостью. [28]
Основной проблемой, связанной с ITO, является его стоимость. ITO стоит в несколько раз дороже, чем оксид алюминия-цинка (AZO). AZO является распространенным выбором прозрачного проводящего оксида (TCO) из-за его более низкой стоимости и относительно хороших характеристик оптической передачи в солнечном спектре. Однако ITO превосходит AZO во многих других важных категориях характеристик, включая химическую стойкость к влаге. ITO не подвержен влиянию влаги и стабилен в составе солнечного элемента на основе селенида меди, индия, галлия в течение 25–30 лет на крыше.
Хотя мишень для распыления или испаряющийся материал, который используется для нанесения ITO, значительно дороже, чем AZO, количество материала, помещаемого на каждую ячейку, довольно мало. Таким образом, штрафные затраты на ячейку также весьма малы.
Основное преимущество ITO по сравнению с AZO как прозрачного проводника для ЖК-дисплеев заключается в том, что ITO можно точно выгравировать в мелкие узоры. [30] AZO не может быть протравлен так же точно: он настолько чувствителен к кислоте, что имеет тенденцию подвергаться чрезмерному травлению при обработке кислотой. [30]
Еще одним преимуществом ITO по сравнению с AZO является то, что при проникновении влаги ITO будет разлагаться меньше, чем AZO. [29]
Роль ITO-стекла как субстрата для клеточных культур можно легко расширить, что открывает новые возможности для исследований растущих клеток с использованием электронной микроскопии и корреляционного света. [31]
ITO может быть использован в нанотехнологиях, чтобы открыть путь к новому поколению солнечных элементов. Солнечные элементы, изготовленные с помощью этих устройств, потенциально могут стать недорогими, сверхлегкими и гибкими элементами с широким спектром применений. Из-за наноразмеров наностержней квантово-размерные эффекты влияют на их оптические свойства. Подбирая размер палочек, можно заставить их поглощать свет в пределах определенной узкой цветовой полосы. Собрав несколько ячеек со стержнями разного размера, можно собрать и преобразовать в энергию широкий диапазон длин волн солнечного спектра. Более того, наноразмерный объем стержней приводит к значительному уменьшению количества необходимого полупроводникового материала по сравнению с обычным элементом. [32] [33] Недавние исследования показали, что наноструктурированный ITO может вести себя как миниатюрный фотоконденсатор, сочетая в уникальном материале поглощение и хранение световой энергии. [34]
Вдыхание оксида индия и олова может вызвать легкое раздражение дыхательных путей , и его следует избегать. При длительном воздействии симптомы могут стать хроническими и привести к доброкачественному пневмокониозу . Исследования на животных показывают, что оксид индия и олова токсичен при попадании в организм, а также оказывает негативное воздействие на почки, легкие и сердце. [35]
В процессе добычи, производства и рекультивации рабочие потенциально подвергаются воздействию индия, особенно в таких странах, как Китай, Япония, Республика Корея и Канада [36] и сталкиваются с возможностью легочного альвеолярного протеиноза , легочного фиброза , эмфиземы , и гранулемы . У рабочих в США, Китае и Японии были диагностированы холестериновые расщелины под воздействием индия. [37] In vitro было обнаружено, что наночастицы серебра , существующие в улучшенных ITO , проникают в эпидермальный слой как через неповрежденную, так и через поврежденную кожу . Предполагается, что неспеченные ITO вызывают сенсибилизацию, опосредованную Т-клетками : в ходе исследования внутрикожного воздействия концентрация 5% uITO приводила к пролиферации лимфоцитов у мышей, включая увеличение количества клеток в течение 10-дневного периода. [38]
Новая профессиональная проблема, названная индиевой болезнью легких , возникла в результате контакта с индийсодержащей пылью. Первый пациент – работник, связанный с мокрым поверхностным шлифованием ИТО, страдавший интерстициальной пневмонией : его легкие были заполнены частицами, родственными ИТО. [39] Эти частицы также могут индуцировать выработку цитокинов и дисфункцию макрофагов . Спеченные частицы ITO сами по себе могут вызывать фагоцитарную дисфункцию, но не высвобождение цитокинов в макрофагах ; однако они могут вызывать провоспалительную цитокиновую реакцию в эпителиальных клетках легких . В отличие от uITO, они также могут принести эндотоксин работникам, работающим с мокрым процессом, при контакте с жидкостями, содержащими эндотоксин. Это можно объяснить тем фактом, что sITO имеют больший диаметр и меньшую площадь поверхности, и что это изменение после процесса спекания может вызвать цитотоксичность . [40]
Из-за этих проблем были найдены альтернативы ITO. [41] [42]
Воду для травления , используемую в процессе спекания ITO, можно использовать только ограниченное количество раз, прежде чем ее придется утилизировать. После разложения сточные воды должны по-прежнему содержать ценные металлы, такие как In и Cu, в качестве вторичного ресурса, а также Mo, Cu, Al, Sn и In, которые могут представлять опасность для здоровья человека. [43] [44] [45] [ 46 ] [47] [48] [49] [50]
{{cite news}}: CS1 maint: numeric names: authors list (link)