Кіріспе

Химиялық қосылыс
Индий қалайы тотығы (ITO) – индий, қалайы және оттегінің әртүрлі пропорциядағы үштік қоспасы. Оттегінің мөлшеріне қарай, оны керамикалық немесе қорытпа деп сипаттауға болады. Индий қалайы тотығы әдетте 74% In, 8% Sn және 18% O салмақтық үлесінде оттегімен қаныққан күйде кездеседі. Оттегімен қаныққан қоспалар соншалықты кең таралғандықтан, қанықпаған қоспалар оттегі жетіспейтін ITO деп аталады. Ол жұқа қабаттарда мөлдір және түссіз, ал көлемді түрінде сары немесе сұр түсті болады. Инфрақызыл спектрде ол металл сияқты күзгү ретінде әрекет етеді. Индий қалайы тотығы – электр өткізгіштігі мен оптикалық мөлдірлігінің, сондай-ақ жұқа пленка ретінде оңай жағу мүмкіндігінің және ылғалға химиялық тұрақтылығының арқасында ең көп қолданылатын мөлдір өткізгіш оксидтердің бірі. Барлық мөлдір өткізгіш пленкалар сияқты, өткізгіштік пен мөлдірлік арасында шартты келісімге келу қажет, себебі пленканың қалыңдығын арттыру және заряд тасымалдаушылардың концентрациясын жоғарылату оның өткізгіштігін арттырса, мөлдірлігін төмендетеді. Индий қалайы тотығының жұқа пленкалары көбінесе физикалық булану арқылы беттерге жағуда қолданылады. Көбінесе электронды сәулемен булану немесе шашырату әдістерінің түрлері пайдаланылады.

Материал және қасиеттері

ITO – индий мен қалайының аралас оксиді, құрамына байланысты 1526–1926 °C (1800–2200 K, 2800–3500 °F) температурада балқиды. Ең көп қолданылатын материал – шамамен In₄Sn құрамындағы оксид. Бұл материал – n типіндегі жартылай өткізгіш, оның энергиялық саңылауы шамамен 4 ЭВ-қа тең. ITO көзбен көрінетін жарыққа мөлдір және салыстырмалы түрде жақсы тоқ өткізгіш. Оның электрлік кедергісі ~10⁻⁴ Ом·см, ал жұқа пленкасының оптикалық өткізгіштігі 80%-дан жоғары болуы мүмкін. Бұл қасиеттері ұялы телефондар сияқты сенсорлық экрандарда кеңінен қолданылады.

Жалпы қолданылу

Индий қақтағы оксиді (ITO) – ғылыми зерттеулерде де, өнеркәсіпте де кеңінен қолданылатын оптоэлектрондық материал. ITO көптеген қолданулар үшін пайдаланылуы мүмкін, мысалы, жалпақ панельді дисплейлер, смарт терезелер, полимерлік негіздегі электроника, жұқа пленкалы фотоэлектр элементтер, супермаркеттердегі мұздатқыштардың шыны есіктері және архитектуралық терезелер. Сонымен қатар, шыны субстраттарға арналған ITO жұқа қабаттары энергияны сақтау үшін шыны терезелерге пайдалы болуы мүмкін. ITO жасыл таспалары электролюминесцентті, функционалды және толық икемді шамдарды өндіру үшін қолданылады. Сондай-ақ, ITO жұқа қабаттары негізінен антирефлекстік жабын ретінде, сондай-ақ сұйық кристалды дисплейлерде (LCD) және электролюминесценцияда қолданылады, онда жұқа қабаттар өткізгіш, мөлдір электродтар ретінде пайдаланылады. ITO көбінесе сұйық кристалды дисплейлер, OLED дисплейлер, плазма дисплейлер, сенсорлық панельдер және электрондық сия қолданбалары сияқты дисплейлер үшін мөлдір өткізгіш жабын жасауға қолданылады. ITO жұқа қабаттары органикалық жарықдиодтарда, күн батареяларында, антистатикалық жабындарда және электромагниттік кедергілерден қорғау экранында қолданылады. Органикалық жарықдиодтарда ITO анод (тесік инъекциялық қабаты) ретінде қолданылады. ITO пленкалары ұшақтардың жел әйнектерін мұздан тазалау үшін қолданылады. Жылу пленкаға кернеу түсіру арқылы пайда болады. ITO электромагниттік сәулеленуді кері шағылыстыру үшін де қолданылады. F-22 Raptor ұшағының кабинасы радар толқындарын шағылыстыратын ITO жабынымен жабылған, бұл оның жасырын қасиеттерін арттырып, ерекше алтын түс береді. ITO сонымен қатар түрлі оптикалық жабындар үшін қолданылады, ең бастысы автомобильдерге арналған инфрақызыл сәулелерді шағылыстыратын жабындар (жылу айналары) және натрийлі шамдардың шынылары. Басқа қолданыстар: газ сенсорлары, антирефлекстік жабындар, диэлектриктерде электрмен ылғалдану және VCSEL лазерлері үшін Брэгг рефлекторлары. ITO сондай-ақ төмен эмиссиялық терезелер үшін инфрақызыл сәулелерді шағылыстырғыш ретінде қолданылады. ITO сонымен қатар Kodak DCS 520 камерасынан бастап, көк түстің сезімталдығын арттыру мақсатымен кейінгі Kodak DCS камераларында сенсорлық жабын ретінде қолданылды. ITO жұқа пленкалы деформация өлшегіштері 1400°C дейін температурада жұмыс істей алады және газ турбиналары, реактивтік қозғалтқыштар және ракеталық қозғалтқыштар сияқты қиын жағдайларда қолданылуы мүмкін.

Күмiс нанобөлiктерiнiң ITO гибридтерi

ITO иілгіш электрониканы өндіру үшін жоғары сапалы иілгіш негіз ретінде кеңінен қолданылады. Дегенмен, оның өткізгіштігі жақсарған сайын осы негіздің икемділігі төмендейді. Алдыңғы зерттеулер ITO-ның механикалық қасиеттерін кристаллизм дәрежесін арттыру арқылы жақсартуға болатынын көрсетті. Күміспен (Ag) қоспалау бұл қасиетті жақсарта алады, бірақ мөлдірлігін төмендетеді. Ашықтықтың төмендеуін толықтыру үшін Ag нанобөлшектерін (AgNP) біртекті емес, енгізу арқылы гибридті ITO жасаудың жақсартылған әдісі тиімді екені дәлелденді. Гибридті ITO AgNP-де бір бағытта өскен домендерден және екінші бағыттың матрицасынан тұрады. Домендер матрицадан берік болып, жарықтардың таралуына тосқауыл ретінде қызмет етеді, бұл икемділікті едәуір арттырады. Біртекті ITO-мен салыстырғанда, гибридті ITO-да иілудің күшеюімен келесетін кедергінің өзгеруі айтарлықтай төмендейді.

Альтернативті синтез әдістері

ITO әдетте физикалық булану (PVD) процесімен байланысты қымбат және энергияны көп қажет ететін әдістер арқылы жабылады. Мұндай процестердің бірі - шашырату, ол нәзік қабаттардың түзілуіне әкеледі. Физикалық буланудың жоғары құны мен энергия шығыны, сондай-ақ вакуумдық өңдеудің қажеттілігіне байланысты ITO дайындаудың баламалы тәсілдері зерттелуде.

Таспа құю процесі

Бөлшектік негізде жасалған балама әдіс – лентаға құю процесі. Бұл әдіс бөлшектерге негізделгендіктен, ITO нанобөлшектері алдымен таратылады, содан кейін тұрақтандыру үшін органикалық еріткіштерге салынады. Бензил фталаты пластификаторы және поливинилбутиралы байланыстырғыш нанобөлшектерден суспензия дайындауда тиімді екені көрсетілді. Лентаға құю процесі аяқталғаннан кейін, жасыл ITO ленталарының сипаттамасы оптималды өткізу қабілетінің шамамен 75%-ға дейін жеткенін, ал электрлік кедергісінің ең төменгі шегі 2 Ом·см құрағанын көрсетті. Бірінші кезекте, үздіксіз өткізгіш In Sn қорытпасы қалыптасады, содан кейін мөлдірлікті қамтамасыз ету үшін тотықтырылады. Бұл екі кезеңді процесс арнайы атмосфераны бақылауды және өңдеу уақытын ұзартуды қажет ететін термиялық бекітуді қамтиды. Металл нанобөлшектерін лазерлік әсер ету арқылы оңай өткізгіш металл қабықшасына айналдыруға болатындықтан, лазерлік күйдіру өнімдердің біртекті морфологиясын алу үшін қолданылады. Лазерлік күйдіруді қолдану оңай және төмен құнмен байланысты, себебі оны ауада жүргізуге болады.

Газдың қоршаған ортадағы жағдайы

Мысалы, дәстүрлі әдістерді қолданып, бірақ оптоэлектрондық қасиеттерін жақсарту үшін қоршаған газ жағдайларын өзгерту, мысалы, оттегі ITO-ның қасиеттеріне елеулі әсер етеді.

Өте жұқа пленкалар үшін химиялық қырқу

Плазмоникалық металл наноқұрылымдардың сандық модельдеуі, жұқа пленкалы нанодискілі сутекті аморфты кремний (a-Si:H) күн фотоэлектрлік (PV) жасушаларында жарық басқару әдісі ретінде зор мүмкіндіктерді көрсетті. Плазмоникалық күшейтілген PV құрылғыларында туындайтын мәселе – құрылғының жоғарғы контактілері/электроды ретінде қолданылуға жеткілікті төмен кедергісі және жоғары өткізгіштігі бар "өте жұқа" мөлдір өткізгіш оксидтердің (TCO) қажеттілігі. Өкінішке орай, TCO-ға қатысты көптеген жұмыстар салыстырмалы түрде қалың қабаттарда жүргізіледі, ал жұқа TCO-ның аз ғана жағдайларында өткізгіштіктің айқын төмендеуі байқалды. Бұл мәселені шешу үшін, алдымен қалың қабатты өсіріп, содан кейін химиялық әдіспен оны жұқалатып, тұтас және жоғары өткізгіштігі бар қабат алуға болады.

Шектеулер мен компромистік шаралар

ITO-ның басты мәселесі – оның құны. ITO алюминий-цинк оксидінен (AZO) бірнеше есе қымбатқа түседі. AZO күн спектрінде төмен құны және салыстырмалы түрде жақсы оптикалық өткізгіштік сипаттамалары болғандықтан, мөлдір өткізгіш оксид (TCO) ретінде жиі қолданылады. Дегенмен, ITO ылғалға төзімділік сияқты көптеген маңызды көрсеткіштер бойынша AZO-дан артық. ITO ылғалдың әсеріне ұшырамайды және шатырда 25–30 жыл бойы мыс-индий-галлий-селенидті күн батареясының құрамында тұрақты болады. ITO-ны жабу үшін қолданылатын мақсаттық материал немесе булану материалы AZO-ға қарағанда әлдеқайда қымбат болғанымен, әрбір жасушаға қолданылатын материал мөлшері өте шағын. Сондықтан, әрбір жасушаға келетін қосымша шығын да аз.

Артықшылықтары

АЗО-мен салыстырғанда ITO-ның LCD-лер үшін мөлдір өткізгіш ретіндегі басты артықшылығы – ITO-ны жіңішке өрнектерге өте дәл кесуге болады. АЗО осыншалықты дәл кесілмейді: ол қышқылға өте сезімтал, сондықтан қышқылмен өңдегенде артық кесіліп қалуы мүмкін.

Зерттеу үлгілері

ИТО нанотехнологияда күн элементтерінің жаңа буынына жол ашу үшін қолданылуы мүмкін. Осы құрылғылармен жасалған күн батареяларының арзан, өте жеңіл және икемді болуымен, кең ауқымды қолданысқа ие болу әлеуеті бар. Наноқалқандардың наноөлшемділігіне байланысты кванттық өлшемдік эффектілер олардың оптикалық қасиеттеріне әсер етеді. Қалқандардың мөлшерін реттеу арқылы, оларды нақты, тар спектрлі түстерді сіңіруге бейімдеуге болады. Әртүрлі мөлшердегі қалқандармен бірнеше жасушаны тізбектеп қосу арқылы, күн спектріндегі кең толқын ұзындықтарын жинап, энергияға айналдыруға болады. Сонымен қатар, қалқандардың наноөлшемділігі дәстүрлі күн элементтерімен салыстырғанда, қажетті жартылай өткізгіш материал мөлшерін айтарлықтай азайтады. Жақында жүргізілген зерттеулер наноқұрылымды ИТО-ның миниатюралық фотоконденсатор ретінде қабілетті екенін, бірегей материалда жарық энергиясын сіңіру және сақтау функцияларын біріктіретінін көрсетті.

Денсаулық және қауіпсіздік

Индий-қалайы оксидін жұту тыныс жолдарында жеңіл тітіркеніс тудыруы мүмкін, сондықтан одан аулақ болу керек. Егер әсер ету ұзаққа созылса, симптомдар созылмалы түске айналып, қатесіз пневмокониозға алып келуі мүмкін. Жануарлармен жүргізілген зерттеулер индий-қалайы оксидінің ішке түскен кезде улы екенін, сондай-ақ бүйрек, өкпе және жүрекке кері әсер ететінін көрсетеді. Кен өндіру, өндіріс және қалпына келтіру процесінде жұмысшылар, әсіресе Қытай, Жапония, Корея Республикасы және Канада сияқты елдерде индийге ұшырауы мүмкін және өкпе альвеолалық ақуыздық протеинозы, өкпе фиброзы, эмфизема және грануломалар пайда болу қаупіне тап болады. АҚШ, Қытай және Жапониядағы жұмысшыларға индий әсер еткен кезде холестерин жарықтарының диагнозы қойылды. Жақсартылған ИТО-да кездесетін күміс нанобөлшектерінің in vitro зерттеулерде зақымдалған және зақымдалмаған тері арқылы эпидермис қабатына еніп өтетіні анықталды. Синтерленбеген ИТО Т-жасушалары арқылы сезімталдық тудыруы мүмкін деп күдіктеледі: интрадермальды әсер ету зерттеуінде 5% uITO концентрациясы егеуқұйрықтарда лимфоциттердің көбеюіне, соның ішінде 10 күндік кезеңде жасушалардың санының артуына әкелді. Индий құрамындағы шаңмен байланыс арқылы жаңа кәсіптік проблема – «индий өкпе ауруы» пайда болды. Бірінші науқас – ИТО-ның ылғалды бетін ұнтақтаумен айналысатын жұмысшы, ол интерстициалдық пневмониядан зардап шекті: оның өкпесі ИТО-мен байланысты бөлшектерге толы болды. Бұл бөлшектер цитокин өндірісін және макрофагтардың дисфункциясын тудыруы мүмкін. Синтерленген ИТО бөлшектері ғана макрофаг жасушаларында цитокин шығарылмай, фагоциттік дисфункцияны тудыруы мүмкін; алайда, олар өкпе эпителий жасушаларында қабынуға қарсы цитокин жауабын ынталандыруы мүмкін. uITO-дан айырмашылығы, олар ылғалды процеске қатысатын жұмысшыларға эндотоксинді әкелуі мүмкін, егер олар эндотоксин құрамындағы сұйықтықтармен байланысқа түссе. Бұл sITO-ның диаметрі үлкен және беттік ауданы кішкентай болуымен, сондай-ақ синтерлеу процесінен кейін болатын бұл өзгеріс цитотоксикалық әсер ете алуымен байланысты болуы мүмкін. Осы мәселелерге байланысты ИТО-ға баламалар табылған.

Қайта өңдеу

ITO-ны ыстау процесінде қолданылатын тегіздеу суын тек шектеулі рет қолдануға болады, одан кейін оны кәдеге келтіру керек. Бұзылудан кейін, қалдық суда In және Cu сияқты құнды металдар екінші ресурс ретінде, сондай-ақ Mo, Cu, Al, Sn және In қалдырғысы келеді, олар адам денсаулығы үшін қауіпті болуы мүмкін.

Баламалы материалдар

Индиумның жоғары құны және жеткілікті еместігі, ИТО қабаттарының қаңқақтығы мен икемсіздігі, сондай-ақ вакуумды қажет ететін және қымбатқа соққан қабаттарды жабу технологиясының болуына байланысты, баламалы материалдар қарастырылуда. Әртүрлі элементтермен қоспаланған мырыш оксиді негізіндегі материалдар үміт беретін баламалар болып табылады.

Допингтік қосылыстар

Түрлі элементтермен қоспаланған мырыш оксиді негізіндегі үміттендіретін баламалар. Индий оксидіндегі бірнеше көшісі металл қоспалары, әсіресе молибден, қалайымен қоспаланғанға қарағанда электронды жылдамдық пен өткізгіштікті едәуір жоғарырақ қамтамасыз етеді. Қос қосылыстардың қоспаланған түрлері, мысалы алюминиймен қоспаланған мырыш оксиді (AZO) және индиймен қоспаланған кадмий оксиді балама материалдар ретінде ұсынылған. Басқа да минералдық баламаларға алюминий, галлий немесе индиймен қоспаланған мырыш оксиді (AZO, GZO немесе IZO) жатады.

Көміртекті нанотүтіктер

Көміртекті нанотұбырлардың өткізгіш жабындары перспективті алмастыру болып табылады.

Графен

Көміртек негізіндегі тағы бір балама ретінде графен қабықшалары икемді және стандартты ITO-ға қарағанда төмен электр кедергісімен 90% дейін мөлдір болатыны көрсетілді. Жұқа металл қабықшалары да потенциалды ауыстыру материалы ретінде қарастырылуда. Қазіргі уақытта сынақтан өтіп жатқан гибридтік материал – күміс наносымдардан жасалған және графенмен жабылған электрод. Мұндай материалдардың артықшылықтары – мөлдірлігін сақтай отырып, бір мезгілде электр өткізгіштігі мен икемділікті қамтамасыз ету.

Сымды өткізгіш полимерлер

Кейбір ITO қолданбалары үшін табиғи түрде өткізгіш полимерлер (ICP) дамытылуда. Полиянилин және PEDOT:PSS сияқты өткізгіш полимерлердің өткізгіштігі әдетте, минералды емес материалдарға қарағанда төмендеу, бірақ олар өңдеу және өндіріс кезінде икемдірек, арзанрақ және экологиялық тұрғыдан қауіпсіз.

Аморфты индий-цинк оксиді

Индийдің мөлшерін азайту, өңдеу қиындығын төмендету және электрлік біртектілікті арттыру мақсатында аморфты мөлдір өткізгіш оксидтер әзірленді. Мұндай материалдардың бірі – аморфты индий-мырыш оксиді, In2O3 және ZnO арасындағы оттегі мен металл атомдарының қатынасының өзгешелігінен кристалдану бұзылса да, жақын қашықтықтағы реттілігін сақтайды. Индий-мырыш оксидінің кейбір қасиеттері ITO-ға ұқсас. Аморфты құрылым 500 °C-қа дейін тұрақты болып қалады, бұл органикалық күн элементтеріндегі маңызды өңдеу кезеңдерін жүргізуге мүмкіндік береді.