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Óxido de indio y estaño

Interferencia de película delgada causada por el recubrimiento de ITO en la ventana de la cabina de un Airbus , utilizada para la descongelación. El óxido de indio y estaño ( IT...

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Interferencia de película delgada causada por el recubrimiento de ITO en la ventana de la cabina de un Airbus , utilizada para la descongelación.

El óxido de indio y estaño ( ITO ) es una composición ternaria de indio , estaño y oxígeno en proporciones variables. Según su 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, 8 % de Sn y 18 % de O en peso. Las composiciones saturadas de oxígeno son tan comunes que las composiciones no saturadas se denominan ITO deficientes en oxígeno . Es transparente e incoloro en capas delgadas, mientras que en forma masiva es de color amarillento a gris. El ITO en película delgada depositado para su uso en el infrarrojo puede actuar como un espejo dicroico .

El óxido de indio y estaño es uno de los óxidos conductores transparentes más utilizados , no solo por su conductividad eléctrica y transparencia óptica , sino también por la facilidad con la que se puede depositar como película delgada, así como por su resistencia química a la humedad. Como ocurre con todas las películas conductoras transparentes, es necesario encontrar un equilibrio entre conductividad y transparencia, ya que aumentar el espesor y la concentración de portadores de carga incrementa la conductividad de la película, pero disminuye su transparencia.

Las películas delgadas de óxido de indio y estaño se depositan comúnmente sobre superficies mediante deposición física de vapor . Se suele utilizar la evaporación por haz de electrones o diversas técnicas de deposición por pulverización catódica .

Material y propiedades

Absorción del vidrio y del vidrio ITO.

El ITO es un óxido mixto de indio y estaño con un punto de fusión en el rango de 1526–1926  °C (1800–2200 K , 2800–3500  °F), dependiendo de la composición. El material más comúnmente utilizado es un óxido de una composición de aprox. In 4 Sn. El material es un semiconductor de tipo n con una gran banda prohibida de alrededor de 4 eV. El ITO es transparente a la luz visible y relativamente conductor. Tiene una baja resistividad eléctrica de ~10 −4 Ω ·cm, y una película delgada puede tener una transmitancia óptica de más del 80%. [ 1 ] 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 ampliamente utilizado tanto en investigación como en la industria. El ITO se puede emplear en numerosas aplicaciones, como pantallas planas, ventanas inteligentes, electrónica basada en polímeros, células fotovoltaicas de película delgada, puertas de vidrio para congeladores de supermercados y ventanas arquitectónicas. Además, las películas delgadas de ITO sobre sustratos de vidrio pueden contribuir al ahorro energético en ventanas de vidrio. [ 2 ]

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

El ITO se utiliza frecuentemente para fabricar recubrimientos 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 orgánicos emisores de luz , el ITO se utiliza como ánodo (capa de inyección de huecos).

Las películas de ITO depositadas en los parabrisas se utilizan para descongelar los parabrisas de las aeronaves. El calor se genera aplicando un voltaje a través de la película. El ITO también se utiliza para reflejar o absorber la radiación electromagnética . La cabina del F-22 Raptor tiene un recubrimiento de ITO que absorbe las ondas de radar y refleja las ondas infrarrojas, lo que mejora sus capacidades de sigilo y le confiere un distintivo tono dorado. [ 5 ] [ 6 ]

El ITO también se utiliza para diversos recubrimientos ópticos , sobre todo recubrimientos reflectantes de infrarrojos ( espejos calientes ) para la industria automotriz y vidrios para lámparas de vapor de sodio . Otros usos incluyen sensores de gas , [ 7 ] recubrimientos antirreflectantes , electromojeo en dieléctricos y reflectores de Bragg para láseres VCSEL . El ITO también se utiliza como reflector de infrarrojos para vidrios de ventanas de baja emisividad. Asimismo, el ITO se utilizó como recubrimiento de sensor en las cámaras Kodak DCS posteriores , comenzando con la Kodak DCS 520, como medio para aumentar la respuesta del canal azul. [ 8 ]

Los extensómetros de película delgada de ITO pueden operar a temperaturas de hasta 1400  °C y pueden utilizarse en entornos hostiles, como turbinas de gas , motores a reacción y motores de cohetes . [ 9 ]

El ITO se utiliza como capa conductora transparente en células solares , incluidas las de película delgada, perovskita y en tándem. [ 10 ] Su transparencia permite que la luz solar llegue a las capas activas, mientras que su conductividad permite una recolección de carga eficiente, mejorando la eficiencia general.

dopaje con plata

El ITO se ha utilizado popularmente como sustrato flexible de alta calidad para la producción de electrónica flexible. [ 11 ] Sin embargo, la flexibilidad de este sustrato disminuye a medida que mejora la conductividad eléctrica. Investigaciones previas han indicado que las propiedades mecánicas del ITO pueden mejorarse aumentando el grado de cristalinidad . [ 12 ] El dopaje con plata (Ag) puede mejorar esta propiedad, pero resulta en una pérdida de transparencia. [ 13 ] Un método de dopaje mejorado que utiliza nanopartículas de plata (AgNPs) 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 sobre las AgNPs 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 el aumento de la flexión disminuye significativamente en el ITO híbrido en comparación con el ITO homogéneo. [ 14 ]

Métodos de síntesis alternativos

El ITO se deposita típicamente mediante procesos costosos y de alto consumo energético que implican la deposición física de vapor (PVD). Dichos procesos incluyen la pulverización catódica , que da como resultado la formación de capas frágiles. [ 15 ] Debido al costo y la energía de la deposición física de vapor, con el procesamiento al vacío requerido, se están investigando métodos alternativos para la preparación de ITO. [ 16 ]

Proceso de fundición de cinta

Un proceso alternativo que utiliza una técnica basada en partículas se conoce como proceso de colado en cinta. Debido a que es una técnica basada en partículas, las nanopartículas de ITO se dispersan primero y luego se colocan en disolventes orgánicos para su estabilidad. Se ha demostrado que el ftalato de bencilo como plastificante y el butiral de polivinilo como aglutinante son útiles para preparar suspensiones de nanopartículas . Una vez realizado el proceso de colado en cinta, la caracterización de las cintas de ITO verdes mostró que la transmisión óptima alcanzó aproximadamente el 75%, con un límite inferior en la resistencia eléctrica de 2 Ω·cm. [ 3 ]

Sinterización láser

El uso de nanopartículas de ITO impone una limitación 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 sustratos posibles. [ 17 ] Primero se forma una película conductora continua de aleación de In-Sn, seguida de una oxidación para lograr transparencia. Este proceso de dos pasos implica un 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 bajo tratamiento láser, se aplica la sinterización láser para lograr una morfología homogénea de los productos. La sinterización láser también es fácil y menos costosa de usar, ya que se puede realizar en el aire. [ 18 ]

Condiciones ambientales del gas

Por ejemplo, utilizando métodos convencionales pero variando las condiciones del gas ambiente para mejorar las propiedades optoelectrónicas [ 19 ] ya que, por ejemplo, el oxígeno juega un papel importante en las propiedades del ITO. [ 20 ]

Recorte químico para películas muy delgadas

Se han realizado modelos numéricos de nanoestructuras metálicas plasmónicas que han demostrado un gran potencial como método de gestión de la luz en células fotovoltaicas solares (FV) de silicio amorfo hidrogenado (a-Si:H) con patrones de nanodiscos de película delgada . Un problema que surge para los dispositivos FV mejorados con plasmones es la necesidad de óxidos conductores transparentes (TCO) ultradelgados con alta transmitancia y resistividad suficientemente baja para ser utilizados como contactos/electrodos superiores del dispositivo. Desafortunadamente, la mayoría de los trabajos sobre TCO se centran en capas relativamente gruesas, y los pocos casos reportados de TCO delgados mostraron una marcada disminución de la conductividad. Para superar esto, es posible primero cultivar una capa gruesa y luego reducirla químicamente para obtener una capa delgada que sea continua y altamente conductora. [ 21 ]

Restricciones y compensaciones

Una de las principales preocupaciones con el ITO es su coste. El ITO cuesta varias veces más que las alternativas basadas en aluminio , como el AZO. El AZO es una opción común de óxido conductor transparente (TCO) debido a su menor coste y su rendimiento de transmisión óptica relativamente bueno en el espectro solar. Sin embargo, el ITO es superior al 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 25-30 años en un tejado.

Si bien el material de pulverización catódica o evaporación utilizado para depositar el ITO es significativamente más costoso que el AZO, la cantidad de material depositado en cada celda es bastante pequeña. Por lo tanto, el costo adicional por celda también es bastante bajo.

Beneficios

Cambios en la morfología superficial en Al:ZnO e i-/Al:ZnO tras la exposición a calor húmedo (DH) ( interferometría óptica ) [ 22 ]

La principal ventaja del ITO en comparación con el AZO como conductor transparente para LCD es que el ITO se puede grabar con precisión en patrones finos. [ 23 ] El AZO no se puede grabar con tanta precisión: es tan sensible al ácido que tiende a sobregrabarse con un tratamiento ácido. [ 23 ]

Otra ventaja del ITO en comparación con el AZO es que, si penetra humedad, el ITO se degradará menos que el AZO. [ 22 ]

El papel del vidrio ITO como sustrato para el cultivo celular se puede extender fácilmente, lo que abre nuevas oportunidades para estudios sobre el crecimiento de células mediante microscopía electrónica y luz correlativa. [ 24 ]

Ejemplos de investigación

El ITO puede utilizarse en nanotecnología para abrir el camino a una nueva generación de células solares. Las células solares fabricadas con estos dispositivos tienen el potencial de ofrecer células de bajo costo, ultraligeras y flexibles con una amplia gama de aplicaciones. Debido a las dimensiones a nanoescala de las nanobarras, los efectos de tamaño cuántico influyen en sus propiedades ópticas. Al ajustar el tamaño de las barras, se puede lograr que absorban luz dentro de una banda estrecha de colores específica. Al apilar varias células con barras de diferentes tamaños, se puede recolectar un amplio rango de longitudes de onda en todo el espectro solar y convertirlas en energía. Además, el volumen a nanoescala de las barras conlleva una reducción significativa en la cantidad de material semiconductor necesario en comparación con una célula convencional. [ 25 ] [ 26 ] Estudios recientes demostraron que el ITO nanoestructurado puede comportarse como un fotocapacitor miniaturizado, combinando en un material único la absorción y el almacenamiento de energía luminosa. [ 27 ]

Salud y seguridad

La inhalación de óxido de indio y estaño puede causar irritación leve en las vías respiratorias y debe evitarse. Si la exposición es prolongada, los síntomas pueden volverse crónicos y provocar neumoconiosis benigna . Estudios realizados en animales indican que el óxido de indio y estaño es tóxico por ingestión, además de tener efectos negativos en los riñones, los pulmones y el corazón. [ 28 ]

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 [ 29 ] y enfrentan la posibilidad de proteinosis alveolar pulmonar , fibrosis pulmonar , enfisema y granulomas . A los trabajadores de EE. UU., China y Japón se les han diagnosticado hendiduras de colesterol bajo exposición al indio. [ 30 ] Se ha descubierto in vitro que las nanopartículas de plata presentes en los ITO mejorados penetran a través de la piel intacta y dañada hasta la capa epidérmica . Se sospecha que los ITO no sinterizados inducen sensibilización mediada por células T : en un estudio de exposición intradérmica, una concentración de 5 % de uITO resultó en proliferación de linfocitos en ratones, incluyendo un aumento en el número de células durante un período de 10 días. [ 31 ]

Un nuevo problema ocupacional, denominado enfermedad pulmonar por indio, se desarrolló por contacto con polvos que contienen indio. El primer paciente es un trabajador asociado al pulido húmedo de superficies de ITO que sufrió neumonía intersticial : su pulmón se llenó de partículas relacionadas con ITO. [ 32 ] Estas partículas también pueden inducir la producción de citocinas y disfunción de macrófagos . Las partículas de ITO sinterizado por sí solas pueden causar disfunción fagocítica , pero no liberación de citocinas en las células macrófagas ; sin embargo, pueden desencadenar una respuesta de citocinas proinflamatorias en las células epiteliales pulmonares . A diferencia del uITO, también pueden aportar endotoxinas a los trabajadores que manipulan el proceso húmedo si entran en contacto con líquidos que contienen endotoxinas. Esto puede atribuirse al hecho de que el sITO tiene un diámetro mayor y una superficie menor, y que este cambio después del proceso de sinterización puede causar citotoxicidad . [ 33 ]

Debido a estos problemas, se han encontrado alternativas al ITO. [ 34 ] [ 35 ]

Reciclaje

Proceso de tratamiento de aguas residuales del grabado de óxido de indio y estaño (ITO)

El agua de grabado utilizada en el proceso de sinterización de ITO solo puede utilizarse un número limitado de veces antes de tener que desecharse. Tras su degradación, las aguas residuales aún pueden contener metales valiosos como In y Cu como recurso secundario, así como Mo, Cu, Al, Sn e In, que pueden representar un riesgo para la salud humana. [ 36 ] [ 37 ] [ 38 ] [ 39 ] [ 40 ] [ 41 ] [ 42 ] [ 43 ]

Materiales alternativos

Debido al alto costo y la limitada disponibilidad 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 materiales alternativos. [ 16 ] Alternativas prometedoras basadas en óxido de zinc dopado con varios elementos. [ 44 ]

compuestos dopados

Alternativas prometedoras basadas en óxido de zinc dopado con diversos elementos. [ 45 ]

Varios dopantes de metales de transición en óxido de indio, en particular el molibdeno, proporcionan una movilidad electrónica y una conductividad mucho mayores que las obtenidas con estaño. [ 46 ] Se han propuesto compuestos binarios dopados, como el óxido de zinc dopado con aluminio (AZO) y el óxido de cadmio dopado con indio, como materiales alternativos. Otras alternativas inorgánicas incluyen el óxido de zinc dopado con aluminio , galio o indio (AZO, GZO o IZO).

nanotubos de carbono

Los recubrimientos conductores de nanotubos de carbono son un posible sustituto. [ 47 ] [ 48 ]

Grafeno

Como otra alternativa basada en carbono, las películas de grafeno son flexibles y han demostrado permitir una transparencia del 90 % con una resistencia eléctrica menor que el ITO estándar. [ 49 ] Las películas metálicas delgadas también se consideran un material de reemplazo potencial. Una alternativa de material híbrido que se está probando actualmente es un electrodo hecho de nanocables de plata y recubierto de grafeno . Las ventajas de estos materiales incluyen mantener la transparencia a la vez que son eléctricamente conductores y flexibles. [ 50 ]

Polímeros conductores

También se están desarrollando polímeros intrínsecamente conductores (PIC) para algunas aplicaciones de ITO. [ 51 ] [ 52 ] Por lo general, la conductividad es menor para los polímeros orgánicos conductores, como la polianilina , que para los materiales inorgánicos, pero son más flexibles, menos costosos y más respetuosos con el medio ambiente.

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 indio-zinc amorfo, mantiene el orden de corto alcance a pesar de que la cristalización se ve interrumpida por la diferencia en la proporción de átomos de oxígeno a átomos de metal entre In₂O₃ y ZnO . El óxido de indio-zinc tiene algunas propiedades comparables a las del ITO. [ 53 ] La estructura amorfa permanece estable incluso hasta 500 °C, lo que permite pasos de procesamiento importantes comunes en las células solares orgánicas . [ 16 ] La mejora en la homogeneidad aumenta significativamente la utilidad del material en el caso de las células solares orgánicas . Las áreas con un rendimiento deficiente del electrodo en las células solares orgánicas hacen que un porcentaje del área de la célula sea inutilizable. [ 54 ] 

Véase también

Referencias

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