أكسيد القصدير الإنديوم

أكسيد الإنديوم والقصدير ( ITO ) مركب ثلاثي يتكون من الإنديوم والقصدير والأكسجين بنسب متفاوتة. وبحسب نسبة الأكسجين، يُصنف إما كخزف أو سبيكة . يوجد أكسيد الإنديوم والقصدير عادةً في صورة مشبعة بالأكسجين ، بنسبة 74% إنديوم، و 8% قصدير، و18% أكسجين وزناً. ونظرًا لشيوع التركيبات المشبعة بالأكسجين، تُسمى التركيبات غير المشبعة بأكسيد الإنديوم والقصدير ناقص الأكسجين . يكون شفافًا وعديم اللون في الطبقات الرقيقة، بينما يكون لونه أصفر إلى رمادي في حالته الصلبة. ويمكن استخدام أغشية أكسيد الإنديوم والقصدير الرقيقة المُرسبة للاستخدام في الأشعة تحت الحمراء كمرآة ثنائية اللون .

يُعدّ أكسيد الإنديوم والقصدير من أكثر الأكاسيد الموصلة الشفافة استخدامًا ، ليس فقط لموصليته الكهربائية وشفافيته البصرية ، بل أيضًا لسهولة ترسيبه كطبقة رقيقة، ومقاومته الكيميائية للرطوبة. وكما هو الحال مع جميع الأغشية الموصلة الشفافة، لا بد من إيجاد توازن بين الموصلية والشفافية، إذ أن زيادة سمك الغشاء وزيادة تركيز حاملات الشحنة يزيدان من موصليته، لكنهما يقللان من شفافيته.

تُرسب الأغشية الرقيقة من أكسيد الإنديوم والقصدير على الأسطح عادةً عن طريق الترسيب الفيزيائي للبخار . ويُستخدم غالبًا التبخير بشعاع الإلكترون ، أو مجموعة من تقنيات الترسيب بالرش .

أكسيد الإنديوم والقصدير (ITO) هو أكسيد مختلط من الإنديوم والقصدير ، وتتراوح درجة انصهاره بين 1526 و1926  درجة مئوية (1800-2200 كلفن ، 2800-3500  فهرنهايت)، وذلك تبعًا لتركيبه. أكثر المواد استخدامًا هو أكسيد ذو تركيب تقريبي In₄Sn₄ _. يُصنف هذا الأكسيد كشبه موصل من النوع السالب (n) ذي فجوة طاقة واسعة تبلغ حوالي 4 إلكترون فولت. يتميز ITO بشفافيته للضوء المرئي وموصليته العالية نسبيًا. كما يتميز بمقاومة كهربائية منخفضة تبلغ حوالي 10⁻⁴ ^أوم · سم، ويمكن أن تصل نفاذية الضوء في طبقة رقيقة منه إلى أكثر من 80%. ^{[ 1 ]} تُستغل هذه الخصائص بشكل كبير في تطبيقات الشاشات اللمسية ، مثل الهواتف المحمولة .

أكسيد الإنديوم والقصدير (ITO) مادة كهروضوئية تُستخدم على نطاق واسع في كلٍ من البحث العلمي والصناعة. يُمكن استخدام ITO في العديد من التطبيقات، مثل شاشات العرض المسطحة، والنوافذ الذكية، والإلكترونيات القائمة على البوليمرات، والخلايا الكهروضوئية الرقيقة، والأبواب الزجاجية لمجمدات المتاجر الكبرى، والنوافذ المعمارية. علاوة على ذلك، يُمكن أن تُساهم أغشية ITO الرقيقة المُستخدمة في الركائز الزجاجية في ترشيد استهلاك الطاقة في النوافذ الزجاجية. ^{[ 2 ]}

تُستخدم أشرطة أكسيد الإنديوم والقصدير الخضراء في إنتاج مصابيح الإضاءة الكهربائية، والوظيفية، والمرنة تمامًا. ^{[ 3 ]} كما تُستخدم أغشية أكسيد الإنديوم والقصدير الرقيقة بشكل أساسي كطلاءات مضادة للانعكاس، وفي شاشات الكريستال السائل (LCD) والإضاءة الكهربائية، حيث تُستخدم هذه الأغشية الرقيقة كأقطاب كهربائية موصلة وشفافة. ^{[ 4 ]}

يُستخدم أكسيد الإنديوم والقصدير (ITO) غالبًا في صناعة الطلاءات الموصلة الشفافة لشاشات العرض، مثل شاشات الكريستال السائل ، وشاشات OLED ، وشاشات البلازما ، وشاشات اللمس ، وتطبيقات الحبر الإلكتروني . كما تُستخدم أغشية رقيقة من ITO في الثنائيات العضوية الباعثة للضوء ، والخلايا الشمسية ، والطلاءات المضادة للكهرباء الساكنة ، والدروع الواقية من التداخل الكهرومغناطيسي . في الثنائيات العضوية الباعثة للضوء ، يُستخدم ITO كقطب موجب (طبقة حقن الثقوب).

تُستخدم أغشية أكسيد الإنديوم والقصدير (ITO) المُرسبة على الزجاج الأمامي للطائرات لإزالة الصقيع عنه. وتُولد الحرارة بتطبيق جهد كهربائي عبر الغشاء. كما يُستخدم أكسيد الإنديوم والقصدير لعكس أو امتصاص الإشعاع الكهرومغناطيسي . ويحتوي غطاء قمرة قيادة طائرة إف-22 رابتور على طبقة من أكسيد الإنديوم والقصدير تمتص موجات الرادار وتعكس الأشعة تحت الحمراء، مما يُعزز قدراتها على التخفي ويمنحها لونًا ذهبيًا مميزًا. ^{[ 5 ] [ 6 ]}

يُستخدم أكسيد الإنديوم والقصدير (ITO) أيضًا في العديد من الطلاءات البصرية ، وأبرزها الطلاءات العاكسة للأشعة تحت الحمراء ( المرايا العاكسة للحرارة ) في السيارات، وزجاج مصابيح بخار الصوديوم . تشمل استخداماته الأخرى مستشعرات الغاز ، ^{[ 7 ]} والطلاءات المضادة للانعكاس ، والترطيب الكهربائي على المواد العازلة، وعاكسات براغ لأشعة الليزر VCSEL . كما يُستخدم ITO كعاكس للأشعة تحت الحمراء في ألواح النوافذ منخفضة الانبعاثية. استُخدم ITO أيضًا كطلاء للمستشعرات في كاميرات Kodak DCS اللاحقة ، بدءًا من Kodak DCS 520، كوسيلة لزيادة استجابة القناة الزرقاء. ^{[ 8 ]}

يمكن لمقاييس الإجهاد ذات الأغشية الرقيقة المصنوعة من أكسيد الإنديوم والقصدير أن تعمل في درجات حرارة تصل إلى 1400  درجة مئوية ويمكن استخدامها في بيئات قاسية، مثل التوربينات الغازية والمحركات النفاثة ومحركات الصواريخ . ^{[ 9 ]}

يُستخدم أكسيد الإنديوم والقصدير (ITO) كطبقة موصلة شفافة في الخلايا الشمسية ، بما في ذلك الخلايا الرقيقة، وخلايا البيروفسكايت ، والخلايا الترادفية. ^{[ 10 ]} تسمح شفافيته بوصول ضوء الشمس إلى الطبقات النشطة، بينما تُمكّن موصليته من جمع الشحنات بكفاءة، مما يُحسّن الكفاءة الإجمالية.

يُرسب أكسيد الإنديوم والقصدير (ITO) عادةً من خلال عمليات مكلفة وتستهلك طاقة عالية، وتعتمد على الترسيب الفيزيائي للبخار (PVD). تشمل هذه العمليات التذرية ، التي ينتج عنها تكوين طبقات هشة. ^{[ 15 ]} ونظرًا لتكلفة الترسيب الفيزيائي للبخار واستهلاكه للطاقة، بالإضافة إلى الحاجة إلى معالجة الفراغ، يجري البحث عن طرق بديلة لتحضير أكسيد الإنديوم والقصدير. ^{[ 16 ]}

يُعدّ ارتفاع تكلفة أكسيد الإنديوم والقصدير (ITO) أحد أبرز عيوبه، إذ يفوق سعره أضعافًا مضاعفةً تكلفة البدائل القائمة على الألومنيوم ، مثل أكسيد الزنك والألومنيوم (AZO). يُعدّ AZO خيارًا شائعًا لأكاسيد التوصيل الشفافة (TCO) نظرًا لانخفاض تكلفته وأدائه الجيد نسبيًا في نقل الضوء ضمن الطيف الشمسي. مع ذلك، يتفوق ITO على AZO في العديد من جوانب الأداء المهمة الأخرى، بما في ذلك مقاومته الكيميائية للرطوبة. لا يتأثر ITO بالرطوبة، ويظل مستقرًا كجزء من خلية شمسية من سيلينيد النحاس والإنديوم والغاليوم لمدة تتراوح بين 25 و30 عامًا على أسطح المنازل.

على الرغم من أن مادة الترسيب بالرش أو التبخير المستخدمة لترسيب طبقة أكسيد الإنديوم والقصدير (ITO) أغلى بكثير من طبقة أكسيد الزنك والألومنيوم (AZO)، إلا أن كمية المادة المستخدمة في كل خلية صغيرة جدًا. وبالتالي، فإن الزيادة في تكلفة الخلية الواحدة ضئيلة أيضًا.

تتمثل الميزة الأساسية لأكسيد الإنديوم والقصدير (ITO) مقارنةً بأكسيد الزنك والألومنيوم (AZO) كموصل شفاف لشاشات الكريستال السائل (LCD) في إمكانية حفر ITO بدقة متناهية للحصول على أنماط دقيقة. ^{[ 23 ]} أما AZO فلا يمكن حفره بنفس الدقة، فهو شديد الحساسية للأحماض، ما يجعله عرضةً للحفر المفرط عند معالجته بها. ^{[ 23 ]}

ومن المزايا الأخرى لطبقة أكسيد الإنديوم والقصدير (ITO) مقارنة بطبقة أكسيد الزنك والألومنيوم (AZO) أنه في حالة تسرب الرطوبة، فإن طبقة أكسيد الإنديوم والقصدير ستتدهور بشكل أقل من طبقة أكسيد الزنك والألومنيوم. ^{[ 22 ]}

يمكن توسيع دور زجاج أكسيد الإنديوم والقصدير (ITO) كركيزة لزراعة الخلايا بسهولة، مما يفتح آفاقاً جديدة لدراسات الخلايا النامية باستخدام المجهر الإلكتروني والضوء الترابطي. ^{[ 24 ]}

يمكن استخدام أكسيد الإنديوم والقصدير (ITO) في تقنية النانو لتمهيد الطريق لجيل جديد من الخلايا الشمسية. تتميز الخلايا الشمسية المصنعة باستخدام هذه التقنية بإمكانية إنتاج خلايا منخفضة التكلفة، وخفيفة الوزن للغاية، ومرنة، مع نطاق واسع من التطبيقات. ونظرًا لأبعادها النانوية، تؤثر تأثيرات الحجم الكمي على خصائصها البصرية. ومن خلال التحكم في حجم هذه القضبان، يمكن جعلها تمتص الضوء ضمن نطاق ضيق محدد من الألوان. وبتكديس عدة خلايا ذات قضبان بأحجام مختلفة، يمكن جمع نطاق واسع من الأطوال الموجية عبر الطيف الشمسي وتحويلها إلى طاقة. علاوة على ذلك، يؤدي الحجم النانوي لهذه القضبان إلى انخفاض كبير في كمية مواد أشباه الموصلات المطلوبة مقارنةً بالخلايا التقليدية. ^{[ 25 ] [ 26 ]} وقد أظهرت دراسات حديثة أن أكسيد الإنديوم والقصدير النانوي التركيب يمكن أن يعمل كمكثف ضوئي مصغر، جامعًا في مادة فريدة امتصاص وتخزين الطاقة الضوئية. ^{[ 27 ]}

قد يُسبب استنشاق أكسيد الإنديوم والقصدير تهيجًا طفيفًا في الجهاز التنفسي ، لذا يُنصح بتجنبه. في حال التعرض طويل الأمد، قد تُصبح الأعراض مزمنة وتؤدي إلى داء الرئة الغباري الحميد . تُشير الدراسات التي أُجريت على الحيوانات إلى أن أكسيد الإنديوم والقصدير سام عند ابتلاعه، بالإضافة إلى آثاره السلبية على الكلى والرئتين والقلب. ^{[ 28 ]}

أثناء عمليات التعدين والإنتاج وإعادة التأهيل، يتعرض العمال للإنديوم، لا سيما في دول مثل الصين واليابان وجمهورية كوريا وكندا ^{[ 29 ]} ، ويواجهون خطر الإصابة بداء البروتين السنخي الرئوي ، والتليف الرئوي ، وانتفاخ الرئة ، والأورام الحبيبية . وقد شُخِّصت حالات تشقق الكوليسترول لدى عمال في الولايات المتحدة والصين واليابان نتيجة التعرض للإنديوم ^{[ 30 ]} . وُجد في المختبر أن جزيئات الفضة النانوية الموجودة في أكسيد الإنديوم والقصدير المحسن (ITO ) تخترق الجلد السليم والمتضرر على حد سواء وصولاً إلى طبقة البشرة . ويُشتبه في أن أكسيد الإنديوم والقصدير غير المُلبَّد يُحفز التحسس بوساطة الخلايا التائية : ففي دراسة للتعرض داخل الأدمة، أدى تركيز 5% من أكسيد الإنديوم والقصدير غير المُلبَّد إلى تكاثر الخلايا الليمفاوية في الفئران، بما في ذلك زيادة عدد الخلايا خلال فترة 10 أيام ^{[ 31 ] .}

ظهرت مشكلة مهنية جديدة تُعرف باسم " مرض الرئة الناتج عن الإنديوم" نتيجة التعرّض لغبار يحتوي على الإنديوم. أول مريض مُسجّل هو عامل يعمل في طحن سطح أكسيد الإنديوم والقصدير (ITO) الرطب، وقد عانى من التهاب رئوي خلالي ، حيث امتلأت رئتاه بجزيئات مرتبطة بـ ITO. ^{[ 32 ]} يمكن لهذه الجزيئات أيضًا أن تُحفّز إنتاج السيتوكينات وتُسبب خللًا في وظيفة البلاعم . جزيئات ITO المُلبّدة وحدها قادرة على إحداث خلل في وظيفة البلعمة دون إطلاق السيتوكينات في خلايا البلاعم ؛ ومع ذلك، يُمكنها أن تُثير استجابة سيتوكينية مُحفّزة للالتهاب في خلايا الظهارة الرئوية . على عكس ITO غير المُلبّد، يُمكن لهذه الجزيئات أيضًا أن تنقل السموم الداخلية إلى العمال الذين يتعاملون مع عملية الطحن الرطب في حال ملامستهم لسوائل تحتوي على السموم الداخلية. يُعزى ذلك إلى أن جزيئات ITO المُلبّدة تتميز بقطر أكبر ومساحة سطح أصغر، وأن هذا التغيير الذي يحدث بعد عملية التلبيد يُمكن أن يُسبب سمية خلوية . ^{[ 33 ]}

ونتيجةً لهذه المشكلات، تم إيجاد بدائل لتقنية ITO. ^{[ 34 ] [ 35 ]}

لا يمكن استخدام ماء التخريش المستخدم في عملية تلبيد أكسيد الإنديوم والقصدير إلا لعدد محدود من المرات قبل التخلص منه. بعد التحلل، قد يحتوي ماء الصرف على معادن ثمينة مثل الإنديوم والنحاس كمصدر ثانوي، بالإضافة إلى الموليبدينوم والنحاس والألومنيوم والقصدير والإنديوم، والتي قد تشكل خطرًا على صحة الإنسان . ^{[ 36 ] [ 37 ] [ 38 ] [ 39 ] [ 40 ] [ 41 ] [ 42 ] [ 43 ]}

نظراً لارتفاع تكلفة الإنديوم ومحدودية إمداداته، وهشاشة طبقات أكسيد الإنديوم والقصدير (ITO) وعدم مرونتها، وتكلفة ترسيب الطبقات الباهظة التي تتطلب استخدام الفراغ، يجري البحث عن مواد بديلة. ^{[ 16 ]} ومن البدائل الواعدة تلك القائمة على أكسيد الزنك المُطعّم بعناصر مختلفة. ^{[ 44 ]}

• فيلم الشفافية

• دراسات طيفية لأكاسيد المعادن الموصلة ، مع العديد من الشرائح حول أكسيد الإنديوم والقصدير (ITO).