Введение

Химическое соединение
Оксид индий-олова (ITO) представляет собой тройной состав из индия, олова и кислорода в различных пропорциях. В зависимости от содержания кислорода, он может быть описан как керамика или сплав. Обычно оксид индий-олова встречается в виде кислородно-насыщенной композиции с формулой 74% In, 8% Sn и 18% O по весу. Кислородно-насыщенные композиции настолько типичны, что ненасыщенные композиции называют кислорододефицитными ITO. Он прозрачен и бесцветен в тонких слоях, а в массивном виде – желтовато-серый. В инфракрасной области спектра он действует как металлическое зеркало. Оксид индий-олова является одним из наиболее широко используемых прозрачных проводящих оксидов, не только благодаря его электрической проводимости и оптической прозрачности, но и благодаря простоте нанесения в виде тонкой пленки, а также его химической устойчивости к влаге. Как и в случае со всеми прозрачными проводящими пленками, необходимо искать компромисс между проводимостью и прозрачностью, поскольку увеличение толщины и концентрации носителей заряда повышает проводимость пленки, но снижает ее прозрачность. Тонкие пленки оксида индий-олова чаще всего осаждаются на поверхности методом физического осаждения из паровой фазы. Часто используется электронно-лучевое испарение или различные методы магнетронного распыления.

Материал и свойства

ITO — это смешанный оксид индия и олова с температурой плавления в диапазоне 1526–1926 °C (1800–2200 K, 2800–3500 °F), зависящей от состава. Наиболее часто используемым материалом является оксид с составом приблизительно In₄Sn. Материал является полупроводником n-типа с широкой запрещенной зоной около 4 эВ. ITO одновременно прозрачен для видимого света и относительно хорошо проводит электричество. Он обладает низким электрическим сопротивлением, около 10⁻⁴ Ом·см, а тонкая пленка может иметь оптическую прозрачность более 80%. Эти свойства широко используются в сенсорных экранах, например, в мобильных телефонах.

Общее применение

Оксид индия-олова (ITO) — это оптико-электронный материал, широко применяемый как в научных исследованиях, так и в промышленности. ITO может использоваться во многих областях, таких как дисплеи с плоским экраном, смарт-окна, полимерная электроника, тонкопленочные фотоэлектрические элементы, стеклянные двери морозильных камер супермаркетов и архитектурные окна. Кроме того, тонкие пленки ITO на стеклянных подложках могут быть полезны для энергосбережения в оконных стеклах. ITO-ленты используются для производства электролюминесцентных, функциональных и полностью гибких ламп. Также тонкие пленки ITO в основном применяются в качестве антиотражающих покрытий, а также для жидкокристаллических дисплеев (LCD) и электролюминесценции, где тонкие пленки служат проводящими прозрачными электродами. ITO часто используется для создания прозрачных проводящих покрытий для дисплеев, таких как жидкокристаллические, OLED, плазменные дисплеи, сенсорные панели и электронные чернила. Тонкие пленки ITO также применяются в органических светодиодах, солнечных элементах, антистатических покрытиях и экранах электромагнитной совместимости (EMI). В органических светодиодах ITO используется в качестве анода (слоя инжекции дырок). Пленки ITO, наносимые на ветровые стекла, используются для их обогрева в самолетах. Нагрев происходит за счет приложения напряжения к пленке. ITO также используется для отражения электромагнитного излучения. Фюзеляж истребителя F-22 Raptor имеет покрытие ITO, отражающее радиолокационные волны, что повышает его малозаметность и придает характерный золотистый оттенок. ITO также применяется для различных оптических покрытий, особенно для инфракрасных отражающих покрытий (горячих зеркал) для автомобилей и ламп натриевого давления. Другие области применения включают газовые датчики, антиотражающие покрытия, электросмачивание на диэлектриках и рефлекторы Брэгга для лазеров VCSEL. ITO также используется в качестве ИК-рефлектора для энергосберегающих оконных стекол. ITO также использовался в качестве сенсорного покрытия в более поздних моделях камер Kodak DCS, начиная с Kodak DCS 520, для повышения чувствительности синего канала. Тонкопленочные тензодатчики на основе ITO могут работать при температурах до 1400 °C и применяться в экстремальных условиях, таких как газовые турбины, реактивные и ракетные двигатели.

Гибридные наночастицы серебра

ITO широко используется как высококачественный гибкий субстрат для создания гибкой электроники. Однако гибкость этого субстрата уменьшается с повышением его проводимости. Предыдущие исследования показали, что механические свойства ITO можно улучшить, увеличивая степень кристалличности. Легирование серебром (Ag) может улучшить это свойство, но приводит к снижению прозрачности. Усовершенствованный метод, заключающийся во внедрении наночастиц Ag (AgNPs) вместо однородного легирования, оказался эффективным для компенсации потери прозрачности. Гибридный ITO состоит из доменов, ориентированных одним образом и выращенных на наночастицах Ag, и матрицы с другой ориентацией. Домены прочнее матрицы и служат барьером для распространения трещин, значительно повышая гибкость. Изменение удельного сопротивления при увеличении изгиба в гибридном ITO значительно меньше, чем в однородном ITO.

Альтернативные методы синтеза

Обычно ITO наносится с помощью дорогостоящих и энергоемких процессов, связанных с физическим осаждением из паровой фазы (PVD). К таким процессам относится, например, магнетронное распыление, приводящее к образованию хрупких слоев. В связи с высокой стоимостью и энергозатратами, обусловленными физическим осаждением из паровой фазы и необходимостью вакуумной обработки, исследуются альтернативные методы получения ITO.

Процесс литья ленты

Альтернативный процесс, использующий технологию на основе частиц, известен как метод литья ленты. Поскольку это технология на основе частиц, наночастицы ITO сначала диспергируются, а затем помещаются в органические растворители для обеспечения стабильности. Пластификатор бензилфталат и связующее поливинилбутираль оказались полезными при приготовлении наночастичных суспензий. После проведения процесса литья ленты, характеризация «зеленых» ITO-лент показала, что оптимальная пропускаемость достигает примерно 75%, при нижнем пределе электрического сопротивления 2 Ом·см. Сначала формируется сплошная проводящая пленка из сплава InSn, а затем окисление обеспечивает прозрачность. Этот двухэтапный процесс включает термический отжиг, требующий специального контроля атмосферы и увеличения времени обработки. Поскольку металлические наночастицы легко превращаются в проводящую металлическую пленку под воздействием лазера, для получения однородной морфологии изделий применяется лазерное спекание. Лазерное спекание также просто и экономически выгодно, поскольку его можно проводить на воздухе.

Условия окружающего газа

Например, используя традиционные методы, но изменяя состав окружающей газовой среды для улучшения оптоэлектронных свойств, поскольку, например, кислород оказывает существенное влияние на свойства ITO.

Химическое бритье для очень тонких пленок

Числовое моделирование плазмонических металлических наноструктур показало значительный потенциал в качестве метода управления светом в тонкопленочных нанодисковых структурах гидрогенизированного аморфного кремния (a-Si:H) в солнечных фотоэлектрических (PV) элементах. Возникающая проблема для фотоэлектрических устройств с плазмонным усилением заключается в необходимости использования "сверхтонких" прозрачных проводящих оксидов (TCO) с высокой пропускаемостью и достаточно низкой удельной проводимостью для применения в качестве верхних контактов/электродов устройства. К сожалению, большинство исследований TCO посвящены относительно толстым слоям, а немногочисленные опубликованные работы о тонких TCO показали заметное снижение проводимости. Для решения этой проблемы можно сначала нарастить толстый слой, а затем химически уменьшить его толщину до получения тонкого, цельного и высокопроводящего слоя.

Ограничения и компромиссы

Основная проблема ITO – его высокая стоимость. ITO стоит в несколько раз дороже, чем оксид цинка и алюминия (AZO). AZO является распространенным выбором прозрачного проводящего оксида (TCO) благодаря его более низкой стоимости и относительно хорошей оптической прозрачности в солнечном спектре. Однако ITO превосходит AZO по многим другим важным характеристикам, включая химическую стойкость к воздействию влаги. ITO не подвержен влиянию влаги и стабилен в составе медных, индиевых, галлиевых и селенидных солнечных элементов в течение 25–30 лет при эксплуатации на крыше. Несмотря на то, что мишень для распыления или материал для испарения, используемые для нанесения ITO, значительно дороже, чем для AZO, количество материала, наносимого на каждую ячейку, весьма невелико. Следовательно, увеличение стоимости на одну ячейку также незначительно.

Преимущества

Основное преимущество ITO перед AZO как прозрачного проводника для ЖК-дисплеев заключается в том, что ITO можно точно травмировать, формируя тонкие рисунки. AZO травмировать так же точно не удается: он настолько чувствителен к кислоте, что при кислотной обработке легко перетравливается.

Примеры исследований

ITO может быть использовано в нанотехнологиях для создания нового поколения солнечных элементов. Солнечные элементы, изготовленные с использованием этих устройств, потенциально могут обеспечить низкую стоимость, сверхмалый вес и гибкость при широком спектре применения. Благодаря наноразмерным размерам наностержней, квантовые размерные эффекты влияют на их оптические свойства. Изменяя размер стержней, можно добиться поглощения света в узком диапазоне определенных цветов. Объединяя несколько элементов с наностержнями разного размера, можно собирать и преобразовывать в энергию широкий спектр длин волн солнечного спектра. Более того, наноразмерный объем стержней значительно снижает количество необходимого полупроводникового материала по сравнению с традиционными солнечными элементами. Недавние исследования показали, что наноструктурированный ITO может функционировать как миниатюрный фотоконденсатор, объединяя в уникальном материале поглощение и накопление световой энергии.

Здоровье и безопасность

Ингаляция оксида индия-олова может вызывать легкое раздражение дыхательных путей, и ее следует избегать. При длительном воздействии симптомы могут стать хроническими и привести к доброкачественному пневмокониозу. Исследования на животных показывают, что оксид индия-олова токсичен при проглатывании, а также оказывает негативное воздействие на почки, легкие и сердце. В процессе добычи, производства и рекультивации рабочие потенциально подвергаются воздействию индия, особенно в таких странах, как Китай, Япония, Республика Корея и Канада, и сталкиваются с риском развития легочного альвеолярного протеиноза, легочного фиброза, эмфиземы и гранулем. У рабочих в США, Китае и Японии при воздействии индия были диагностированы холестериновые щели. В улучшенных образцах ITO обнаружены серебряные наночастицы, которые, согласно данным in vitro, проникают через неповрежденную и поврежденную кожу в эпидермальный слой. Несинтерированные ITO подозреваются в способности вызывать Т-клеточную сенсибилизацию: в исследовании внутрикожного введения концентрация 5% uITO привела к пролиферации лимфоцитов у мышей, включая увеличение числа клеток в течение 10-дневного периода. В результате контакта с пылью, содержащей индий, возникла новая профессиональная проблема, получившая название «индиевая болезнь легких». Первый пациент – работник, занимавшийся влажной шлифовкой ITO, страдал от интерстициальной пневмонии: его легкие были заполнены частицами, связанными с ITO. Эти частицы также могут индуцировать выработку цитокинов и дисфункцию макрофагов. Синтерированные частицы ITO сами по себе могут вызывать фагоцитарную дисфункцию, но не высвобождение цитокинов в клетках макрофагов; однако они могут вызывать провоспалительный цитокиновый ответ в легочных эпителиальных клетках. В отличие от uITO, они также могут переносить эндотоксин к работникам, работающим с влажными процессами, при контакте с жидкостями, содержащими эндотоксин. Это может быть связано с тем, что sITO имеют больший диаметр и меньшую площадь поверхности, и это изменение после процесса спекания может вызывать цитотоксичность. В связи с этими проблемами были найдены альтернативы ITO.

Переработка

Вода для травления, используемая в процессе спекания ITO, может быть использована лишь ограниченное число раз, после чего требует утилизации. После деградации сточные воды все еще содержат ценные металлы, такие как In и Cu, которые могут быть использованы в качестве вторичного сырья, а также Mo, Cu, Al, Sn и In, представляющие потенциальную опасность для здоровья человека.

Альтернативные материалы

Из-за высокой стоимости и ограниченных запасов индия, хрупкости и недостаточной гибкости слоев ITO, а также дорогостоящего процесса нанесения слоев, требующего вакуума, изучаются альтернативные материалы. Многообещающие альтернативы основаны на оксиде цинка, легированном различными элементами.

Допированные соединения

Перспективные альтернативы на основе оксида цинка, легированного различными элементами. Несколько допантов переходных металлов в оксиде индия, особенно молибден, обеспечивают значительно более высокую подвижность электронов и проводимость, чем при использовании олова. В качестве альтернативных материалов предлагаются легированные бинарные соединения, такие как легированный алюминием оксид цинка (AZO) и легированный индием оксид кадмия. Другие неорганические альтернативы включают оксид цинка, легированный алюминием, галлием или индием (AZO, GZO или IZO).

Углеродные нанотрубки

Углеродно-нанотрубные токопроводящие покрытия являются перспективной заменой.

Графен

В качестве другой углеродсодержащей альтернативы, графеновые пленки обладают гибкостью и демонстрируют 90% прозрачность при более низком электрическом сопротивлении, чем стандартный ITO. Тонкие металлические пленки также рассматриваются как потенциальная замена. В настоящее время испытывается гибридный материал – электроды из серебряных нанопроволок, покрытых графеном. Преимуществами таких материалов являются сохранение прозрачности наряду с электрической проводимостью и гибкостью.

Проводимые полимеры

Для некоторых применений ITO также разрабатываются внутренне проводящие полимеры (ICP). Как правило, проводимость таких проводящих полимеров, как полианилин и PEDOT:PSS, ниже, чем у неорганических материалов, но они более гибкие, дешевле и экологичнее в плане обработки и производства.

Оксид индий-цинка аморфный

Для снижения содержания индия, упрощения технологического процесса и повышения электрической однородности были разработаны аморфные прозрачные проводящие оксиды. Один из таких материалов, аморфный оксид индия и цинка, сохраняет ближний порядок, несмотря на то, что кристаллизация подавляется разницей в соотношении кислорода к металлам в In2O3 и ZnO. Оксид индия-цинка обладает рядом свойств, сравнимых с ITO. Аморфная структура остаётся стабильной даже при температуре до 500 °C, что позволяет использовать стандартные технологические этапы, применяемые при производстве органических солнечных элементов.