Óxido de indio y estaño

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 una cerámica o una 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 Sn y 8 % de O 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 similar al metal.

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

La mayoría de las veces, las películas delgadas de óxido de indio y estaño se depositan sobre las superficies mediante deposición física de vapor. A menudo se utiliza la evaporación por haz de electrones o una gama de técnicas de deposición por pulverización catódica.

Material y propiedades

ITO es un óxido mixto de indio y estaño con un punto de fusión en el rango de 1526 a 1926 °C (1800 a 2200 K, 2800 a 3500 °F), según la composición. El material más utilizado es un óxido de una composición de ca. En₄Sn. El material es un semiconductor de tipo n con una gran banda prohibida de alrededor de 4 eV. ITO es transparente a la luz visible y relativamente conductor. Tiene una resistividad eléctrica baja de ~10⁻⁴ Ω·cm, y una película delgada puede tener una transmitancia óptica superior al 80 %. Estas propiedades se utilizan con gran ventaja en aplicaciones de pantalla táctil como teléfonos móviles.

Usos comunes

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 usar 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 de ITO para sustratos de vidrio pueden ser útiles para que las ventanas de vidrio conserven energía.

Las cintas verdes de ITO se utilizan para la producción de lámparas que son electroluminiscentes, funcionales y completamente flexibles. Además, las películas delgadas de 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.

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 orgánicos emisores de luz, células solares, recubrimientos antiestáticos y blindajes EMI. En los diodos emisores de luz orgánicos, el ITO se utiliza como ánodo (capa de inyección de agujeros).

Las películas de ITO depositadas en los parabrisas se utilizan para descongelar los parabrisas de los aviones. El calor se genera aplicando un voltaje a través de la película. ITO también se utiliza para reflejar la radiación electromagnética. El dosel del F-22 Raptor tiene un revestimiento ITO que refleja las ondas de radar, lo que mejora sus capacidades de sigilo y le da un tinte dorado distintivo.

ITO también se utiliza para diversos recubrimientos ópticos, en particular, recubrimientos que reflejan infrarrojos (espejos calientes) para automóviles y vidrios para lámparas de vapor de sodio. Otros usos incluyen sensores de gas, revestimientos antirreflectantes, electrohumectación en dieléctricos y reflectores Bragg para láseres VCSEL. ITO también se utiliza como reflector IR para cristales de ventana de baja emisividad. ITO también se usó como recubrimiento de sensor en las cámaras Kodak DCS posteriores, comenzando con la Kodak DCS 520, como un medio para aumentar la respuesta del canal azul.

Los medidores de tensión de película delgada ITO pueden operar a temperaturas de hasta 1400 °C y se pueden usar en entornos hostiles, como turbinas de gas, motores a reacción y motores de cohetes.

Métodos de síntesis alternativos y materiales alternativos

Debido al alto costo y 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. Alternativas prometedoras a base de óxido de zinc dopado con varios elementos.

Compuestos dopados

Varios dopantes de metales de transición en el óxido de indio, en particular el molibdeno, proporcionan una movilidad y una conductividad de los electrones mucho más altas que las que se obtienen con el estaño. 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 aluminio, galio u óxido de zinc dopado con indio (AZO, GZO o IZO).

Nanotubos de carbono

Los recubrimientos conductores de nanotubos de carbono son un posible reemplazo.

Grafeno

Como otra alternativa basada en 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. 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 y, al mismo tiempo, ser eléctricamente conductores y flexibles.

Polímeros conductores

También se están desarrollando polímeros inherentemente conductores (ICP) para algunas aplicaciones de ITO. Por lo general, la conductividad es más baja para los polímeros conductores, como la polianilina y PEDOT:PSS, que para los materiales inorgánicos, pero son más flexibles, menos costosos y más ecológicos en el procesamiento y la fabricación.

Óxido de indio-zinc amorfo

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 zinc-indio amorfo, mantiene un orden de corto alcance aunque la cristalización se ve interrumpida por la diferencia en la proporción de átomos de oxígeno a metal entre In₂O₃ y ZnO. El óxido de zinc-indio tiene algunas propiedades comparables al ITO. La estructura amorfa permanece estable incluso hasta los 500 °C, lo que permite importantes pasos de procesamiento comunes en las células solares orgánicas. La mejora en la homogeneidad mejora significativamente la usabilidad del material en el caso de las células solares orgánicas. Las áreas de bajo rendimiento de los electrodos en las células solares orgánicas hacen que un porcentaje del área de la célula quede inutilizable.

Nanopartícula de plata-Híbrido ITO

ITO se ha utilizado popularmente como un sustrato flexible de alta calidad para producir componentes electrónicos flexibles. Sin embargo, la flexibilidad de este sustrato disminuye a medida que mejora su conductividad. Investigaciones anteriores han indicado que las propiedades mecánicas de ITO se pueden mejorar aumentando el grado de cristalinidad. El dopaje con plata (Ag) puede mejorar esta propiedad, pero da como resultado una pérdida de transparencia. Un método mejorado que incorpora nanopartículas de Ag (AgNP) en lugar de hacerlo de forma homogénea para crear un ITO híbrido 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, lo que aumenta significativamente la flexibilidad. El cambio de resistividad con el aumento de la flexión disminuye significativamente en el ITO híbrido en comparación con el ITO homogéneo.

Métodos de síntesis alternativos

Proceso de fundición de cinta

El ITO generalmente se deposita 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. 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 su estabilidad. Se ha demostrado que el plastificante de ftalato de bencilo y el aglutinante de butiral de polivinilo son útiles para preparar suspensiones de nanopartículas. Una vez realizado el proceso de colado de las cintas, la caracterización de las cintas ITO verdes mostró que la transmisión óptima se elevaba hasta alrededor del 75%, con un límite inferior en la resistencia eléctrica de 2 Ω·cm.

Sinterizado por láser

El uso de nanopartículas de ITO impone un límite en 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. En primer lugar, se forma una película continua de aleación In-Sn conductora, seguida de oxidación para aportar transparencia. Este proceso de dos pasos implica el recocido térmico, que requiere un control de la atmósfera especial y un mayor tiempo de procesamiento. Debido a que las nanopartículas metálicas se pueden convertir fácilmente en una película de metal conductor bajo el tratamiento del láser, se aplica la sinterización por láser para lograr productos. morfología homogénea. La sinterización por láser también es fácil y menos costosa de usar, ya que se puede realizar en el aire.

Condiciones ambientales del gas

Por ejemplo, utilizando métodos convencionales pero variando las condiciones del gas ambiental para mejorar las propiedades optoelectrónicas, ya que, por ejemplo, el oxígeno juega un papel importante en las propiedades de ITO.

Afeitado químico para películas muy finas

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

Restricciones y compensaciones

Una preocupación importante con ITO es su costo. El 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 importantes de rendimiento, incluida la resistencia química a la humedad. El ITO no se ve afectado por la humedad y es estable como parte de una celda solar de cobre, indio, galio y seleniuro durante 25 a 30 años en un techo.

Si bien el objetivo de pulverización catódica o el material de evaporación que se utiliza 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 del costo por celda también es bastante pequeña.

Beneficios

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

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

La función del vidrio ITO como sustrato de cultivo celular se puede extender fácilmente, lo que abre nuevas oportunidades para los estudios sobre células en crecimiento que involucran microscopía electrónica y luz correlativa.

Ejemplos de investigación

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 los nanorods, los efectos de tamaño cuántico influyen en sus propiedades ópticas. Al adaptar el tamaño de las varillas, se pueden hacer para absorber la luz dentro de una estrecha banda específica de colores. 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. Estudios recientes demostraron que el ITO nanoestructurado puede comportarse como un fotocondensador miniaturizado, combinando en un único material la absorción y almacenamiento de energía luminosa.

Salud y seguridad

La inhalación de óxido de indio y estaño puede causar una irritación leve en las vías respiratorias y debe evitarse. Si la exposición es a largo plazo, los síntomas pueden volverse crónicos y dar lugar a una 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, los pulmones y el corazón.

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, y enfrentan la posibilidad de proteinosis alveolar pulmonar, fibrosis pulmonar, enfisema, y granulomas. Los trabajadores en los EE. UU., China y Japón han sido diagnosticados con hendiduras de colesterol bajo la exposición al indio. Se ha descubierto in vitro que las nanopartículas de plata que existían en los ITO mejorados penetran a través de la piel intacta y lesionada en la capa epidérmica. Se sospecha que los ITO no sinterizados inducen la sensibilización mediada por células T: en un estudio de exposición intradérmica, una concentración del 5 % de uITO provocó la proliferación de linfocitos en ratones, incluido el aumento del número de células durante un período de 10 días.

Se desarrolló un nuevo problema ocupacional llamado enfermedad pulmonar de indio a través del contacto con polvos que contienen indio. El primer paciente es un trabajador asociado con la molienda de superficie húmeda de ITO que sufría de neumonía intersticial: su pulmón estaba lleno de partículas relacionadas con ITO. 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 citoquinas en las células macrófagas; sin embargo, pueden provocar una respuesta de citocinas proinflamatorias en las células epiteliales pulmonares. 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 un diámetro más grande y un área de superficie más pequeña, y que este cambio después del proceso de sinterización puede causar citotoxicidad.

Debido a estos problemas, se han encontrado alternativas a ITO.

Reciclaje

El agua de grabado utilizada en el proceso de sinterización de ITO solo se puede utilizar un número limitado de veces antes de tener que desecharla. Después de la degradación, las aguas residuales aún deben contener metales valiosos como In y Cu como recurso secundario, así como Mo, Cu, Al, Sn e In, que pueden representar un peligro para la salud de los seres humanos.