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, 8 % de Sn y 18 % 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 finas, 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 , la facilidad con la que se puede depositar como una película delgada y su resistencia química a la humedad. Como ocurre con todas las películas conductoras transparentes, se debe llegar a 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 mediante deposición física de vapor . A menudo se utiliza la evaporación por haz de electrones o una variedad de técnicas de deposición por pulverización catódica .
El 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 comúnmente utilizado es un óxido con una composición de ca. En 4 sn. 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%. [1] Estas propiedades se utilizan con gran ventaja en aplicaciones de pantalla táctil como los teléfonos móviles .
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 de ITO para sustratos de vidrio pueden ser útiles para que las ventanas de vidrio conserven energía. [2]
Las cintas verdes ITO se utilizan para la producción de lámparas electroluminiscentes, funcionales y totalmente flexibles. [3] Además, las películas delgadas de ITO se usan principalmente para servir como recubrimientos antirreflectantes y para pantallas de cristal líquido (LCD) y electroluminiscencia, donde las películas delgadas se usan como electrodos conductores transparentes. [4]
El 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 , revestimientos antiestáticos y blindajes EMI . En los diodos emisores de luz orgánicos , el ITO se utiliza 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 un voltaje a través de la película. El ITO también se utiliza para reflejar la radiación electromagnética . La capota del F-22 Raptor tiene un revestimiento ITO que refleja las ondas del radar , mejorando sus capacidades de sigilo y dándole un tinte dorado distintivo. [5]
El ITO también se utiliza para diversos revestimientos ópticos , en particular revestimientos reflectantes de infrarrojos ( espejos calientes ) para automóviles y vidrios para lámparas de vapor de sodio . Otros usos incluyen sensores de gas , [6] recubrimientos antirreflectantes , electrohumectación de 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 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. [7]
Las galgas extensométricas de película delgada ITO pueden funcionar a temperaturas de hasta 1400 °C y pueden usarse en entornos hostiles, como turbinas de gas , motores a reacción y motores de cohetes . [8]
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. [9] Alternativas prometedoras basadas en óxido de zinc dopado con diversos elementos. [10]
Varios dopantes de metales de transición en el óxido de indio, particularmente el molibdeno, dan una movilidad de electrones y una conductividad mucho mayores que las obtenidas con el estaño. [11] 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).
Los recubrimientos conductores de nanotubos de carbono son un posible reemplazo. [12] [13]
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 menor que la del ITO estándar. [14] Las películas metálicas delgadas 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 dichos materiales incluyen mantener la transparencia y al mismo tiempo ser eléctricamente conductores y flexibles. [15]
También se están desarrollando polímeros inherentemente conductores (ICP) para algunas aplicaciones de ITO. [16] [17] Normalmente, la conductividad es menor para los polímeros conductores, como la polianilina y PEDOT :PSS, que para los materiales inorgánicos, pero son más flexibles, menos costosos y más respetuosos con el medio ambiente en su procesamiento y fabricación.
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 esos materiales, el óxido de indio y zinc amorfo, mantiene un orden de corto alcance incluso aunque la cristalización se interrumpa por la diferencia en la proporción de oxígeno a átomos metálicos entre In 2 O 3 y ZnO. El óxido de indio y zinc tiene algunas propiedades comparables a las del ITO. [18] La estructura amorfa permanece estable incluso hasta 500 °C, lo que permite importantes pasos de procesamiento comunes en las células solares orgánicas . [9] La mejora de la homogeneidad mejora significativamente la usabilidad del material en el caso de células solares orgánicas . Las áreas de bajo rendimiento de los electrodos en las células solares orgánicas inutilizan un porcentaje del área de la célula. [19]
El ITO se ha utilizado popularmente como sustrato flexible de alta calidad para producir productos electrónicos flexibles. [20] Sin embargo, la flexibilidad de este sustrato disminuye a medida que mejora su conductividad. Investigaciones anteriores han indicado que las propiedades mecánicas del ITO se pueden mejorar aumentando el grado de cristalinidad . [21] El dopado con plata (Ag) puede mejorar esta propiedad, pero provoca una pérdida de transparencia. [22] 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 cultivados en 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 en la resistividad con una mayor flexión disminuye significativamente en el ITO híbrido en comparación con el ITO homogéneo. [23]
El ITO generalmente se deposita mediante procesos costosos y que consumen mucha energía que se ocupan de la deposición física de vapor (PVD). Estos procesos incluyen la pulverización catódica , que da como resultado la formación de capas quebradizas. [ cita necesaria ] Un proceso alternativo que utiliza una técnica basada en partículas se conoce como 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 ftalato de bencilo y el aglutinante polivinilbutiral son útiles en la preparación de suspensiones 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 aproximadamente el 75%, con un límite inferior de la resistencia eléctrica de 2 Ω·cm. [3]
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. [24] Primero se forma una película conductora continua de aleación de In-Sn, seguida de oxidación para aportar transparencia. Este proceso de dos pasos implica recocido térmico, que requiere un control especial de la atmósfera y un mayor tiempo de procesamiento. Debido a que las nanopartículas metálicas se pueden convertir fácilmente en una película metálica conductora mediante tratamiento con láser, se aplica la sinterización por láser para lograr una 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. [25]
Por ejemplo, utilizar métodos convencionales pero variar las condiciones del gas ambiental para mejorar las propiedades optoelectrónicas [26] ya que, por ejemplo, el oxígeno juega un papel importante en las propiedades del ITO. [27]
Se han realizado 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 nanodiscos de película delgada . 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 suficientemente baja para usarse como contactos/electrodos superiores del dispositivo. Desafortunadamente, la mayor parte del trabajo sobre TCO se realiza en capas relativamente gruesas y los pocos casos reportados de TCO delgados mostraron una marcada disminución en la conductividad. Para superar esto, es posible hacer crecer primero una capa gruesa y luego afeitarla químicamente para obtener una capa delgada que sea completa y altamente conductora. [28]
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 su 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. El ITO no se ve afectado por la humedad y es estable como parte de una célula solar de seleniuro de cobre, indio y galio durante 25 a 30 años en un tejado.
Si bien el objetivo de pulverización catódica o el material evaporativo 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 en el coste por celda también es bastante pequeña.
La principal ventaja del ITO en comparación con el AZO como conductor transparente para pantallas LCD es que el ITO se puede grabar con precisión en patrones finos. [30] El AZO no se puede grabar con tanta precisión: es tan sensible al ácido que tiende a grabarse demasiado con un tratamiento ácido. [30]
Otro beneficio del ITO en comparación con el AZO es que si la humedad penetra, el ITO se degradará menos que el AZO. [29]
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 utilizan microscopía electrónica y luz correlativa. [31]
La ITO se puede utilizar en nanotecnología para abrir el camino hacia una nueva generación de células solares. Las células solares fabricadas con estos dispositivos tienen el potencial de proporcionar células flexibles, ultraligeras y de bajo costo con una amplia gama de aplicaciones. Debido a las dimensiones a nanoescala de las nanobarras, los efectos del 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 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 de la cantidad de material semiconductor necesario en comparación con una celda convencional. [32] [33] Estudios recientes demostraron que el ITO nanoestructurado puede comportarse como un fotocondensador miniaturizado, combinando en un material único la absorción y el almacenamiento de energía luminosa. [34]
La inhalación de óxido de indio y estaño puede causar una leve irritación en las vías respiratorias y debe evitarse. Si la exposición es prolongada, los síntomas pueden volverse crónicos y provocar neumoconiosis benigna . Los estudios con animales indican que el óxido de indio y estaño es tóxico cuando se ingiere, además de tener efectos negativos en los riñones, los pulmones y el corazón. [35]
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 [36] y enfrentan la posibilidad de sufrir proteinosis alveolar pulmonar , fibrosis pulmonar , enfisema , y granulomas . A trabajadores en Estados Unidos, China y Japón se les ha diagnosticado hendiduras de colesterol debido a la exposición al indio. [37] Se ha descubierto in vitro que las nanopartículas de plata que existían en ITO mejorados penetran a través de la piel intacta y rota hasta la capa epidérmica . Se sospecha que los ITO no sinterizados inducen una 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. [38]
Un nuevo problema ocupacional llamado enfermedad pulmonar por indio se desarrolló a través del contacto con polvos que contienen indio. El primer paciente es un trabajador asociado con la molienda de superficies húmedas de ITO que padecía neumonía intersticial : su pulmón estaba lleno de partículas relacionadas con ITO. [39] Estas partículas también pueden inducir la producción de citocinas y la disfunción de los macrófagos . Las partículas de ITO sinterizadas por sí solas pueden causar disfunción fagocítica pero no la liberación de citoquinas en las células de macrófagos ; sin embargo, pueden estimular una respuesta de citoquinas 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 mayor diámetro y menor área de superficie, y que este cambio después del proceso de sinterización puede causar citotoxicidad . [40]
Debido a estos problemas, se han encontrado alternativas a la ITO. [41] [42]
El agua de grabado utilizada en el proceso de sinterización de ITO solo se puede utilizar un número limitado de veces antes de desecharla. Después de la degradación, las aguas residuales deberían contener todavía metales valiosos como In y Cu como recurso secundario, así como Mo, Cu, Al, Sn e In, que pueden suponer un peligro para la salud humana. [43] [44] [45] [ 46 ] [47 ] [48] [49] [50]
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