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El óxido de indio y estaño ( ITO ) es una composición ternaria de indio , estaño y oxígeno en proporciones variables. Dependiendo del contenido de oxígeno, puede describirse como cerámica o aleación . El óxido de indio y estaño se encuentra típicamente como una composición saturada de oxígeno con una formulación de 74% de In, 18% de O 2 y 8% de Sn en peso. Las composiciones saturadas de oxígeno son tan típicas que las composiciones insaturadas se denominan ITO deficiente en oxígeno . Es transparente e incoloro en capas delgadas, mientras que a granel es de color amarillento a gris. En la región infrarroja del espectro actúa como un espejo metálico.

El óxido de indio y estaño es uno de los óxidos conductores transparentes más utilizados debido a su conductividad eléctrica y transparencia óptica , así como a la facilidad con la que se puede depositar como una película delgada. Al igual que con todas las películas conductoras transparentes, se debe hacer un compromiso entre conductividad y transparencia, ya que aumentar el espesor y aumentar la concentración de portadores de carga aumenta la conductividad de la película, pero disminuye su transparencia.

Las películas delgadas de óxido de indio y estaño se depositan más comúnmente en las superficies por deposición física de vapor . A menudo se utiliza la evaporación por haz de electrones o una variedad de técnicas de deposición por pulverización catódica .

Material y propiedades [ editar ]

Más información: índice de refracción y coeficiente de extinción de materiales de película delgada
Absorción de vidrio y vidrio ITO

ITO es una mezcla de óxido de indio y estaño con un punto de fusión en el rango de 1526-1926 ° C (1800-2200 K , 2800-3500 ° F), según la composición. El material más comúnmente utilizado tiene una composición de ca In 4 Sn. El material es un semiconductor de tipo n con una banda prohibida grande de alrededor de 4 eV. [1] ITO es transparente a la luz visible y tiene una conductividad eléctrica relativamente alta.

ITO tiene una resistividad eléctrica baja de ~ 10 −4 Ω · cm y una película delgada puede tener una transmitancia óptica superior al 80%. [2]

Estas propiedades se utilizan con gran ventaja en aplicaciones de pantalla táctil , como teléfonos móviles .

Usos comunes [ editar ]

Interferencia de película delgada causada por el revestimiento ITO en una ventana de la cabina de Airbus , utilizada para descongelar.

El óxido de indio y estaño (ITO) es un material optoelectrónico que se aplica ampliamente tanto en la investigación como en la industria. ITO se puede utilizar para muchas aplicaciones, como pantallas planas, ventanas inteligentes, electrónica basada en polímeros, energía fotovoltaica de película delgada, puertas de vidrio de congeladores de supermercados y ventanas arquitectónicas. Además, las películas delgadas ITO para sustratos de vidrio pueden ser útiles para que las ventanas de vidrio ahorren energía. [1]

Las cintas verdes ITO se utilizan para la producción de lámparas que son electroluminiscentes, funcionales y totalmente flexibles. [3] Además, las películas delgadas ITO se utilizan principalmente para servir como revestimientos que son antirreflectantes y para pantallas de cristal líquido (LCD) y electroluminiscencia, donde las películas delgadas se utilizan como electrodos transparentes conductores. [4]

ITO se utiliza a menudo para fabricar revestimientos conductores transparentes para pantallas como pantallas de cristal líquido , pantallas OLED , pantallas de plasma , paneles táctiles y aplicaciones de tinta electrónica . Las películas delgadas de ITO también se utilizan en diodos emisores de luz orgánicos , células solares , revestimientos antiestáticos y blindajes EMI . En los diodos emisores de luz orgánicos , se utiliza ITO como ánodo (capa de inyección de orificios).

Las películas de ITO depositadas en los parabrisas se utilizan para descongelar los parabrisas de los aviones. El calor se genera aplicando voltaje a través de la película.

El ITO también se utiliza para varios revestimientos ópticos , sobre todo revestimientos reflectantes de infrarrojos ( espejos calientes ) para automóviles y vidrios de lámparas de vapor de sodio . Otros usos incluyen sensores de gas , [5] recubrimientos antirreflejos , electrohumectación en dieléctricos y reflectores Bragg para láseres VCSEL . ITO también se utiliza como reflector de infrarrojos para cristales de ventanas de baja emisividad. ITO también se utilizó como revestimiento de sensor en las cámaras Kodak DCS posteriores , comenzando con la Kodak DCS 520, como un medio para aumentar la respuesta del canal azul. [6]

Las galgas extensométricas de película delgada ITO pueden operar a temperaturas de hasta 1400 ° C y pueden usarse en ambientes hostiles, como turbinas de gas , motores a reacción y motores de cohetes . [7]

Métodos de síntesis alternativos y materiales alternativos [ editar ]

Debido al alto costo y el suministro limitado de indio, la fragilidad y falta de flexibilidad de las capas de ITO y la costosa deposición de capas que requiere vacío, se están investigando métodos alternativos para preparar ITO y materiales alternativos. [8]

Compuestos dopados [ editar ]

También se pueden utilizar materiales alternativos. Varios dopantes de metales de transición en óxido de indio, particularmente molibdeno, dan una movilidad y conductividad de electrones mucho más alta que la obtenida con estaño. [9] Se han propuesto como materiales alternativos compuestos binarios dopados como el óxido de zinc dopado con aluminio (AZO) y el óxido de cadmio dopado con indio . Otras alternativas inorgánicas incluyen óxido de zinc dopado con aluminio , galio o indio (AZO, GZO o IZO).

Nanotubos de carbono [ editar ]

Los recubrimientos conductores de nanotubos de carbono son un posible reemplazo. [10] [11]

Grafeno [ editar ]

Como otra alternativa a base de carbono, las películas de grafeno son flexibles y se ha demostrado que permiten un 90% de transparencia con una resistencia eléctrica más baja que el ITO estándar. [12] Las películas delgadas de metal también se consideran un posible material de reemplazo. Una alternativa de material híbrido que se está probando actualmente es un electrodo hecho de nanocables de plata y cubierto con grafeno . Las ventajas de tales materiales incluyen mantener la transparencia al mismo tiempo que son conductores de electricidad y flexibles. [13]

Polímeros conductores [ editar ]

También se están desarrollando polímeros inherentemente conductores (ICP) para algunas aplicaciones de ITO. [14] [15] Normalmente, la conductividad es menor para polímeros conductores, como polianilina y PEDOT : PSS, que los materiales inorgánicos, pero son más flexibles, menos costosos y más amigables con el medio ambiente en su procesamiento y fabricación.

Indio amorfo-óxido de zinc [ editar ]

Para reducir el contenido de indio, disminuir la dificultad de procesamiento y mejorar la homogeneidad eléctrica, se han desarrollado óxidos conductores transparentes amorfos. Uno de estos materiales, el óxido de indio-zinc amorfo, mantiene el orden de corto alcance aunque la cristalización se interrumpa por la diferencia en la relación de oxígeno a átomos de metal entre In 2 O 3 y ZnO. El óxido de indio-zinc tiene algunas propiedades comparables a las de ITO. [16] La estructura amorfa permanece estable incluso hasta 500 ° C, lo que permite importantes pasos de procesamiento comunes en las células solares orgánicas . [8] La mejora en la homogeneidad mejora significativamente la usabilidad del material en el caso decélulas solares orgánicas . Las áreas de bajo rendimiento de los electrodos en las células solares orgánicas inutilizan un porcentaje del área de la célula. [17]

Nanopartícula de plata-ITO híbrido [ editar ]

Proceso de la nanopartícula de plata (AgNP) en el sustrato de polímero ( PET )

ITO se ha utilizado popularmente como un sustrato flexible de alta calidad para producir componentes electrónicos flexibles. [18] Sin embargo, la flexibilidad de este sustrato disminuye a medida que mejora su conductividad. Investigaciones anteriores han indicado que las propiedades mecánicas de ITO pueden mejorarse aumentando el grado de cristalinidad . [19] El dopaje con plata (Ag) puede mejorar esta propiedad, pero da como resultado una pérdida de transparencia. [20] Un método mejorado que incorpora nanopartículas de agricultura(AgNP) en lugar de crear de manera homogénea una ITO híbrida, ha demostrado ser eficaz para compensar la disminución de la transparencia. El ITO híbrido consta de dominios en una orientación que crecen en los AgNP y una matriz de la otra orientación. Los dominios son más fuertes que la matriz y funcionan como barreras para la propagación de grietas, aumentando significativamente la flexibilidad. El cambio de resistividad con una mayor flexión disminuye significativamente en el ITO híbrido en comparación con el ITO homogéneo. [21]

Métodos de síntesis alternativos [ editar ]

Proceso de casting de cintas [ editar ]

El ITO se deposita típicamente a través de procesos costosos y que consumen mucha energía que se ocupan de la deposición física de vapor (PVD). Dichos procesos incluyen la pulverización catódica , que da como resultado la formación de capas quebradizas. [ cita requerida ] Un proceso alternativo que utiliza una técnica basada en partículas, se conoce como el proceso de fundición de cinta. Debido a que es una técnica basada en partículas, las nanopartículas de ITO se dispersan primero y luego se colocan en solventes orgánicos para mayor estabilidad. Se ha demostrado que el plastificante de ftalato de bencilo y el aglutinante de polivinil butiral son útiles en la preparación de lodos de nanopartículas. . Una vez realizado el proceso de fundición de la cinta, la caracterización de las cintas ITO verdes mostró que la transmisión óptima subió hasta alrededor del 75%, con un límite inferior en la resistencia eléctrica de 2 Ω · cm. [3]

Sinterización láser [ editar ]

El uso de nanopartículas de ITO impone un límite a la elección del sustrato, debido a la alta temperatura requerida para la sinterización . Como material de partida alternativo, las nanopartículas de aleación de In-Sn permiten una gama más diversa de posibles sustratos. [22] En primer lugar, se forma una película de aleación de In-Sn conductora continua, seguida de oxidación para aportar transparencia. Este proceso de dos pasos implica el recocido térmico, que requiere un control especial de la atmósfera y un mayor tiempo de procesamiento. Debido a que las nanopartículas de metal se pueden convertir fácilmente en una película metálica conductora bajo el tratamiento de láser, sinterización por láserse aplica para lograr la morfología homogénea de los productos. La sinterización por láser también es fácil y menos costosa de usar, ya que se puede realizar en el aire. [23]

Condiciones ambientales del gas [ editar ]

Por ejemplo, utilizando métodos convencionales pero variando las condiciones ambientales del gas para mejorar las propiedades optoelectrónicas [24] ya que, por ejemplo, el oxígeno juega un papel importante en las propiedades de la OTI. [25]

Afeitado químico para películas muy delgadas [ editar ]

Se han realizado modelos numéricos de nanoestructuras metálicas plasmónicas que han mostrado un gran potencial como método de gestión de la luz en células solares fotovoltaicas (PV) de silicio amorfo hidrogenado (a-Si: H) con nanodiscos de capa fina . Un problema que surge para los dispositivos fotovoltaicos mejorados con plasmónicos es el requisito de óxidos conductores transparentes (TCO) 'ultrafinos' con alta transmitancia y resistividad lo suficientemente baja para ser utilizados como contactos / electrodos superiores del dispositivo. Desafortunadamente, la mayor parte del trabajo en TCO se realiza en capas relativamente gruesas y los pocos casos reportados de TCO delgado mostraron una marcada disminución en la conductividad. Para superar esto, primero es posible hacer crecer una capa gruesa y luego afeitarla químicamente para obtener una capa delgada que sea completa y altamente conductora.[26]

Restricciones y compensaciones [ editar ]

Una de las principales preocupaciones de ITO es su costo. ITO cuesta varias veces más que el óxido de aluminio y zinc (AZO). AZO es una opción común de óxido conductor transparente (TCO) debido a su menor costo y rendimiento de transmisión óptica relativamente bueno en el espectro solar. Sin embargo, ITO es superior a AZO en muchas otras categorías de rendimiento importantes, incluida la resistencia química a la humedad. La ITO no se ve afectada por la humedad y es estable como parte de la celda solar de seleniuro de cobre, indio, galio, durante 25 a 30 años en una azotea.

Si bien el objetivo de pulverización catódica o el material evaporativo que se usa para depositar el ITO es significativamente más costoso que el AZO, la cantidad de material colocado en cada celda es bastante pequeña. Por lo tanto, la penalización de costo por celda también es bastante pequeña.

Beneficios [ editar ]

Cambios en la morfología de la superficie en Al: ZnO e i- / Al: ZnO tras la exposición al calor de descarga (DH) ( interferometría óptica ) [27]

La principal ventaja de ITO en comparación con AZO como conductor transparente para pantallas LCD es que ITO se puede grabar con precisión en patrones finos. [28] El AZO no se puede grabar con tanta precisión: es tan sensible al ácido que tiende a sobregrabarse con un tratamiento con ácido. [28]

Otro beneficio de ITO en comparación con AZO es que si la humedad penetra, ITO se degradará menos que AZO. [27]

El papel del vidrio ITO como sustrato de cultivo celular se puede ampliar fácilmente, lo que abre nuevas oportunidades para estudios sobre células en crecimiento que involucran microscopía electrónica y luz correlativa. [29]

Ejemplos de investigación [ editar ]

ITO se puede utilizar en nanotecnología para proporcionar un camino hacia una nueva generación de células solares. Las celdas solares fabricadas con estos dispositivos tienen el potencial de proporcionar celdas flexibles, ultraligeras y de bajo costo con una amplia gama de aplicaciones. Debido a las dimensiones a nanoescala de las nanovarillas, los efectos de tamaño cuántico influyen en sus propiedades ópticas. Al adaptar el tamaño de las varillas, se puede hacer que absorban la luz dentro de una banda estrecha de colores específica. Al apilar varias celdas con varillas de diferentes tamaños, se puede recolectar y convertir en energía una amplia gama de longitudes de onda en todo el espectro solar. Además, el volumen a nanoescala de las varillas conduce a una reducción significativa en la cantidad de material semiconductor necesario en comparación con una celda convencional. [30] [31]

Salud y seguridad [ editar ]

La inhalación de óxido de indio y estaño puede causar una leve irritación de las vías respiratorias y debe evitarse. Si la exposición es a largo plazo, los síntomas pueden volverse crónicos y resultar en neumoconiosis benigna . Los estudios con animales indican que el óxido de indio y estaño es tóxico cuando se ingiere, junto con efectos negativos en los riñones, pulmones y corazón. [32]

Durante el proceso de minería, producción y recuperación, los trabajadores están potencialmente expuestos al indio, especialmente en países como China, Japón, la República de Corea y Canadá [33] y enfrentan la posibilidad de proteinosis alveolar pulmonar , fibrosis pulmonar , enfisema , y granulomas . A los trabajadores en los EE. UU., China y Japón se les ha diagnosticado hendiduras de colesterol bajo exposición al indio. [34] Se ha encontrado in vitro que las nanopartículas de plata que existían en ITO mejoradas penetran a través de la piel tanto intacta como rota en la capa epidérmica.. Se sospecha que los ITO sin sinterizar inducen sensibilización mediada por células T : en un estudio de exposición intradérmica, una concentración del 5% de uITO dio como resultado la proliferación de linfocitos en ratones, incluido el aumento del número de células durante un período de 10 días. [35]

Se desarrolló un nuevo problema ocupacional llamado enfermedad pulmonar por indio a través del contacto con polvos que contienen indio. El primer paciente es un trabajador asociado con la trituración de superficies húmedas de ITO que sufría de neumonía intersticial : su pulmón estaba lleno de partículas relacionadas con ITO. [36] Estas partículas también pueden inducir la producción de citocinas y la disfunción de los macrófagos . Las partículas de ITO sinterizadas solas pueden causar disfunción fagocítica pero no liberación de citocinas en las células macrófagas ; sin embargo, pueden intriga un pro-inflamatoria de citoquinas respuesta en pulmonares células epiteliales. A diferencia de uITO, también pueden llevar endotoxinas a los trabajadores que manipulan el proceso húmedo si entran en contacto con líquidos que contienen endotoxinas. Esto se puede atribuir al hecho de que los sITO tienen mayor diámetro y menor área de superficie, y que este cambio después del proceso de sinterización puede causar citotoxicidad . [37]

Debido a estos problemas, se han encontrado alternativas a ITO. [38] [39]

Reciclaje [ editar ]

Proceso de tratamiento de aguas residuales por grabado de óxido de indio-estaño (ITO)

El agua de grabado utilizada en el proceso de sinterización de ITO solo se puede utilizar un número limitado de veces antes de eliminarse. Después de la degradación, las aguas residuales deben contener metales valiosos como In, Cu como recurso secundario, así como Mo, Cu, Al, Sn e In, que pueden representar un peligro para la salud de los seres humanos. [40] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47]

Ver también [ editar ]

  • Película conductora transparente

Referencias [ editar ]

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Enlaces externos [ editar ]

  • Estudios espectroscópicos de óxidos metálicos conductores , con muchas diapositivas sobre ITO