Indium -oxid cínu - Indium tin oxide
Oxid india a cínu ( ITO ), je ternární kompozice z india , cínu a kyslíku v různých poměrech. V závislosti na obsahu kyslíku může být buď popsán jako keramika nebo slitina . Oxid india a cínu se obvykle setkáváme jako kompozice nasycen kyslíkem se formulace 74% v, 18% O 2 a 8% hmotnostních Sn. Prostředky nasycené kyslíkem jsou tak typické, že nenasycené prostředky se nazývají ITO s nedostatkem kyslíku . Je transparentní a bezbarvý v tenkých vrstvách, zatímco v sypké formě je nažloutlý až šedý. V infračervené oblasti spektra funguje jako zrcadlo podobné kovu.
Oxid india a cínu je jedním z nejpoužívanějších transparentních vodivých oxidů díky své elektrické vodivosti a optické průhlednosti a také snadnosti nanášení jako tenký film. Jako u všech transparentních vodivých fólií musí být učiněn kompromis mezi vodivostí a průhledností, protože zvýšení tloušťky a zvýšení koncentrace nosičů náboje zvyšuje vodivost filmu, ale snižuje jeho průhlednost.
Tenké filmy oxidu india a cínu se nejčastěji nanášejí na povrchy fyzikálním napařováním . Často se používá odpařování elektronového paprsku nebo řada technik naprašování .
Materiál a vlastnosti
ITO je směsný oxid india a cínu s bodem tání v rozmezí 1526–1926 ° C (1800–2200 K , 2800–3500 ° F), v závislosti na složení. Nejčastěji používaný materiál má složení ca In 4 Sn. Materiál je polovodič typu n s velkou mezerou kolem 4 eV. ITO je transparentní pro viditelné světlo a má relativně vysokou elektrickou vodivost.
ITO má nízký elektrický odpor ~ 10 - 4 Ω · cm a tenký film může mít optickou propustnost větší než 80%.
Tyto vlastnosti jsou s velkou výhodou využívány v aplikacích s dotykovým displejem, jako jsou mobilní telefony .
Běžné použití
Indium -oxid cínu (ITO) je optoelektronický materiál, který se široce používá v oblasti výzkumu i průmyslu. ITO lze použít pro mnoho aplikací, jako jsou ploché displeje, inteligentní okna, elektronika na bázi polymerů, tenkovrstvá fotovoltaika, skleněné dveře supermarketových mrazniček a architektonická okna. Kromě toho mohou být tenké fólie ITO pro skleněné podklady pro skleněná okna užitečné pro úsporu energie.
Zelené pásky ITO se používají k výrobě lamp, které jsou elektroluminiscenční, funkční a plně flexibilní. Také tenké fólie ITO se používají především k tomu, aby sloužily jako antireflexní povlaky a pro displeje z tekutých krystalů (LCD) a elektroluminiscence, kde se tenké fólie používají jako vodivé, průhledné elektrody.
ITO se často používá k výrobě transparentních vodivých povlaků pro displeje, jako jsou displeje z tekutých krystalů , OLED displeje, plazmové displeje , dotykové panely a aplikace pro elektronický inkoust . Tenké fólie ITO se také používají v organických světelných diodách , solárních článcích , antistatických povlacích a EMI stínění. V organických světelných diodách se ITO používá jako anoda (vrstva pro vstřikování děr).
ITO fólie uložené na čelních sklech se používají k odmrazování čelních skel letadel. Teplo se vytváří působením napětí na film.
ITO se také používá pro různé optické povlaky , zejména pro infračervené reflexní povlaky ( horká zrcadla ) pro automobilový průmysl, a skla sodíkových výbojek . Mezi další použití patří plynové senzory , antireflexní vrstvy , elektrosmáčení na dielektrikách a Braggovy reflektory pro lasery VCSEL . ITO se také používá jako IR reflektor pro okenní tabule s nízkým e. ITO byl také použit jako povlak senzoru v pozdějších kamerách Kodak DCS , počínaje Kodak DCS 520, jako prostředek ke zvýšení odezvy modrého kanálu.
Tenkostěnné tenzometry ITO mohou pracovat při teplotách až 1400 ° C a lze je použít v drsném prostředí, jako jsou plynové turbíny , proudové motory a raketové motory .
Alternativní způsoby syntézy a alternativní materiály
Vzhledem k vysokým nákladům a omezenému přísunu india, křehkosti a nedostatečné pružnosti vrstev ITO a nákladnému ukládání vrstev vyžadujících vakuum se zkoumají alternativní způsoby přípravy ITO a alternativní materiály.
Dopované sloučeniny
Lze použít i alternativní materiály. Několik dopantů přechodných kovů v oxidu india, zejména molybdenu, poskytuje mnohem vyšší pohyblivost a vodivost elektronů, než je tomu u cínu. Jako alternativní materiály byly navrženy dopované binární sloučeniny, jako je oxid zinečnatý dotovaný hliníkem (AZO) a oxid kademnatý dopovaný indiem . Ostatní anorganické alternativy zahrnují hliník , gallium nebo india dopovaný oxid zinečnatý (AZO, GZO nebo Izo).
Uhlíkové nanotrubičky
Potenciální náhradou jsou vodivé povlaky z uhlíkových nanotrubic .
Grafen
Jako další alternativa na bázi uhlíku jsou grafenové fólie flexibilní a bylo prokázáno, že umožňují 90% průhlednost s nižším elektrickým odporem než standardní ITO. Tenké kovové fólie jsou také považovány za potenciální náhradní materiál. Alternativou hybridního materiálu, která je v současné době testována, je elektroda vyrobená ze stříbrných nanodrátů pokrytá grafenem . Výhody takových materiálů zahrnují zachování průhlednosti a současně jsou elektricky vodivé a pružné.
Vodivé polymery
Pro některé aplikace ITO se vyvíjejí také inherentně vodivé polymery (ICP). Vodivost je obvykle nižší u vodivých polymerů, jako je polyanilin a PEDOT : PSS, než u anorganických materiálů, ale jsou pružnější, méně nákladné a ekologičtější při zpracování a výrobě.
Amorfní oxid indium – zinek
Za účelem snížení obsahu india, snížení obtížnosti zpracování a zlepšení elektrické homogenity byly vyvinuty amorfní transparentní vodivé oxidy. Jedním z takových materiálů, amorfní indium-zinek-oxid udržuje na krátkou vzdálenost, i když krystalizace je přerušený rozdílu v poměru kyslíku k atomům kovu mezi V 2 O 3 a ZnO. Indium-oxid zinečnatý má některé srovnatelné vlastnosti s ITO. Amorfní struktura zůstává stabilní i do 500 ° C, což umožňuje důležité kroky zpracování běžné v organických solárních článcích . Zlepšení homogenity významně zvyšuje použitelnost materiálu v případě organických solárních článků . Oblasti se špatným výkonem elektrod v organických solárních článcích činí procento plochy článku nepoužitelnými.
Nanočástice stříbra - hybrid ITO
ITO bylo s oblibou používáno jako vysoce kvalitní flexibilní substrát pro výrobu flexibilní elektroniky. Pružnost tohoto substrátu se však snižuje, jak se zlepšuje jeho vodivost. Předchozí výzkum ukázal, že mechanické vlastnosti ITO lze zlepšit zvýšením stupně krystalinity . Doping stříbrem (Ag) může tuto vlastnost zlepšit, ale má za následek ztrátu transparentnosti. Vylepšená metoda, která místo homogenního vložení nanočástic Ag (AgNP) k vytvoření hybridního ITO, se ukázala jako účinná při kompenzaci poklesu transparentnosti. Hybridní ITO se skládá z domén v jedné orientaci pěstovaných na AgNP a matice druhé orientace. Domény jsou silnější než matice a fungují jako bariéry šíření trhlin, což výrazně zvyšuje flexibilitu. Změna měrného odporu se zvýšeným ohybem výrazně klesá u hybridního ITO ve srovnání s homogenním ITO.
Alternativní způsoby syntézy
Proces odlévání pásky
ITO se obvykle ukládá drahými a energeticky náročnými procesy, které se zabývají fyzikálním napařováním (PVD). Mezi takové procesy patří naprašování , které má za následek tvorbu křehkých vrstev. Alternativní proces, který využívá techniku založenou na částicích, je známý jako proces odlévání pásky. Protože se jedná o techniku založenou na částicích, nanočástice ITO se nejprve dispergují a poté se z důvodu stability umístí do organických rozpouštědel. Benzyl ftalát změkčovadlo a polyvinyl -butyral pojivo bylo prokázáno, že je užitečný při přípravě nanočásticových suspenzí . Jakmile byl proces odlévání pásky proveden, charakterizace zelených pásek ITO ukázala, že optimální přenos se zvýšil na přibližně 75%, přičemž spodní hranice elektrického odporu byla 2 Ω · cm.
Laserové slinování
Použití nanočástic ITO ukládá omezení výběru substrátu v důsledku vysoké teploty potřebné pro slinování . Jako alternativní výchozí materiál umožňují nanočástice slitiny In-Sn rozmanitější škálu možných substrátů. Nejprve se vytvoří souvislý vodivý film ze slitiny In-Sn, po kterém následuje oxidace, která zajistí transparentnost. Tento dvoustupňový proces zahrnuje tepelné žíhání, které vyžaduje speciální řízení atmosféry a delší dobu zpracování. Protože kovové nanočástice lze snadno upravovat na vodivý kovový film zpracováním laseru, používá se laserové slinování, aby se dosáhlo homogenní morfologie produktů. Laserové slinování je také snadné a použití je méně nákladné, protože může být prováděno na vzduchu.
Okolní podmínky plynu
Například použitím konvenčních metod, ale změnou podmínek okolního plynu ke zlepšení optoelektronických vlastností, protože například kyslík hraje hlavní roli ve vlastnostech ITO.
Chemické holení pro velmi tenké filmy
Došlo k numerické modelování plasmonic kovových nanostruktur prokázaly velký potenciál jako metoda řízení osvětlení v tenkovrstvých nanodisc vzorem hydrogenovaný amorfního křemíku (a-Si: H), solární fotovoltaické (PV) buněk. Problém, který vyvstává u PV-zařízení s vylepšeným plazmonem, je požadavek na „ultratenké“ transparentní vodivé oxidy (TCO) s vysokou propustností a dostatečně nízkým odporem, které lze použít jako horní kontakty/elektrody zařízení. Bohužel většina prací na TCO je na relativně silných vrstvách a několik hlášených případů tenkých TCO vykazovalo výrazný pokles vodivosti. K překonání tohoto je možné nejprve vypěstovat silnou vrstvu a poté ji chemicky oholit, aby se získala tenká vrstva, která je celá a vysoce vodivá.
Omezení a kompromisy
Hlavním problémem ITO jsou jeho náklady. ITO stojí několikanásobně více než oxid hlinito -zinečnatý (AZO). AZO je běžnou volbou transparentního vodivého oxidu (TCO) kvůli jeho nižším nákladům a relativně dobrému výkonu optického přenosu ve slunečním spektru. ITO je však lepší než AZO v mnoha dalších důležitých výkonnostních kategoriích, včetně chemické odolnosti proti vlhkosti. ITO není ovlivněna vlhkostí a je stabilní jako součást solárního článku selenidu mědi a india a galia na 25–30 let na střeše.
Zatímco rozprašovací terč nebo odpařovací materiál, který se používá k ukládání ITO, je výrazně nákladnější než AZO, množství materiálu umístěného na každé buňce je poměrně malé. Proto je také cena za buňku poměrně malá.
Výhody
Primární výhodou ITO ve srovnání s AZO jako transparentního vodiče pro LCD je, že ITO lze přesně vyleptat do jemných vzorů. AZO nelze vyleptat tak přesně: Je tak citlivý na kyselinu, že má tendenci se přeleptat působením kyseliny.
Další výhodou ITO ve srovnání s AZO je, že pokud vlhkost pronikne, ITO se degraduje méně než AZO.
Roli skla ITO jako substrátu buněčné kultury lze snadno rozšířit, což otevírá nové příležitosti pro studie o pěstování buněk zahrnující elektronovou mikroskopii a korelační světlo.
Příklady výzkumu
ITO lze použít v nanotechnologiích k zajištění cesty k nové generaci solárních článků. Solární články vyrobené z těchto zařízení mají potenciál poskytovat levné, ultralehké a flexibilní články se širokou škálou aplikací. Kvůli nanorozměrovým rozměrům nanorodů ovlivňují jejich optické vlastnosti efekty kvantové velikosti. Přizpůsobením velikosti tyčí mohou být vyrobeny tak, aby absorbovaly světlo v určitém úzkém pásmu barev. Stohováním několika buněk s tyčemi různé velikosti lze shromáždit široký rozsah vlnových délek napříč slunečním spektrem a převést je na energii. Kromě toho objem nanočástic tyčí vede k významnému snížení množství potřebného polovodičového materiálu ve srovnání s konvenčním článkem.
Zdraví a bezpečnost
Vdechnutí oxidu india a cínu může způsobit mírné podráždění dýchacích cest a je třeba se mu vyhnout. Pokud je expozice dlouhodobá, příznaky se mohou stát chronickými a vést k benigní pneumokonióze . Studie na zvířatech naznačují, že oxid india a cínu je při požití toxický, spolu s negativními účinky na ledviny, plíce a srdce.
Během procesu těžby, výroby a rekultivace jsou pracovníci potenciálně vystaveni indiu, zejména v zemích jako Čína, Japonsko, Korejská republika a Kanada a čelí možnosti plicní alveolární proteinózy , plicní fibrózy , rozedmy plic a granulomů . Pracovníkům v USA, Číně a Japonsku byly při expozici india diagnostikovány rozštěpy cholesterolu . Bylo zjištěno, že nanočástice stříbra, které existují ve vylepšených ITO, in vitro pronikají intaktní i porušenou kůží do epidermální vrstvy . Nesintrované ITO mají podezření na indukci senzibilizace zprostředkované T-buňkami : ve studii intradermální expozice vedla koncentrace 5% uITO k proliferaci lymfocytů u myší, včetně zvýšení počtu buněk během 10denního období.
Nový profesní problém zvaný indiová plicní nemoc byl vyvinut kontaktem s prachem obsahujícím indium. Prvním pacientem je pracovník spojený s broušením ITO na mokrém povrchu, který trpěl intersticiální pneumonií : jeho plíce byly naplněny částicemi souvisejícími s ITO. Tyto částice mohou také indukovat produkci cytokinů a dysfunkci makrofágů . Samotné slinuté částice ITO mohou způsobit fagocytární dysfunkci, ale ne uvolnění cytokinů v makrofágových buňkách; nicméně mohou intrikovat prozánětlivou cytokinovou odpověď v plicních epiteliálních buňkách . Na rozdíl od uITO mohou také přinést endotoxin pracovníkům manipulujícím s mokrým procesem, pokud jsou v kontaktu s kapalinami obsahujícími endotoxiny. To lze přičíst skutečnosti, že sITO mají větší průměr a menší povrch, a že tato změna po procesu slinování může způsobit cytotoxicitu .
Kvůli těmto problémům byly nalezeny alternativy k ITO.
Recyklace
Leptání voda použitá v procesu slinování ITO může být použit pouze pro omezený počet krát před sobě. Po degradaci by měla odpadní voda stále obsahovat cenné kovy, jako je In, Cu jako sekundární zdroj, stejně jako Mo, Cu, Al, Sn a In, které mohou představovat zdravotní riziko pro lidské bytosti.
Viz také
Reference
externí odkazy
- Spektroskopické studie vedení oxidů kovů s mnoha diapozitivy o ITO