元素

49 铟 手机屏幕上的元素

本文投稿作者 漂泊

铟是一种非常贴近我们生活的元素,我们所使用的手机,所看的电视、电脑,其屏幕上都有导电玻璃,最常用的导电玻璃就是含铟的ITO导电玻璃。铟使得手机的使用更为便利,为我们带来丰富多彩的世界。

 

铟的基本物理性质

分类 第ⅢA族▪金属
原子序号原子量 49(114.818)
电子配置 5s25p1
密度 7.3g/cm 
熔点 156.61°C
沸点 2060°C
形状 银白色并带淡蓝色金属
丰度 0.049ppm(地壳)
发现者 Ferdinand ReichHieronymous Theodor Richter
主要的同位素 113In,115In
用途例 ITO玻璃,薄膜太阳电池
前后的元素 镉-铟-锡

铟的发现

自然界中未曾发现过游离态的铟单质。1863年,德国的Ferdinand ReichHieronymous Theodor Richter光谱法研究闪锌矿,发现新的元素铟。

被发现和取得后,德国Freiberg矿业学院物理学教授Reich由于对铊的一些性质感兴趣,希望得到足够的金属进行实验研究。于是他在1863年开始在Himmelsfüst出产的锌矿中寻找这种金属。这种矿石所含主要成分是含砷的黄铁矿闪锌矿、辉铅矿、硅土、锰、铜和少量的等。Reich认为其中还可能含有铊。虽然实验花费了很多时间,他却没有获得期望的元素。但是他得到了一种不知成分的草黄色沉淀物。他认为这可能是一种新元素的硫化物。

由于受到当时的技术条件限制,只有利用光谱分析来证明这一假设。可是Reich是色盲,只得请求他的助手Richter进行光谱分析实验。Richter在第一次实验就成功了,他在分光镜中发现一条靛蓝色的明线,位置和的两条蓝色明亮线不相吻合,于是他就根据希腊文中“靛蓝”(indikon)一词将它命名为indium(铟)(In)。两位科学家共同署名发现铟的报告。人们认为他们共同完成了分离出金属铟的工作。

他们首先分离出了铟的氯化物和氢氧化物,并利用吹管在木炭上还原,制得了金属铟,并于1867年在法国科学院展出。[1-3]

金属铟

 

ITO导电玻璃

普通玻璃是绝缘材料,通过在其表面镀上一层导电膜ITO膜),就可使其具备导电性能,通过这种方法就可以制得导电玻璃。ITO导电玻璃是在钠钙基或硅硼基基片玻璃的基础上,利用溅射、蒸发等多种方法镀上一层氧化铟锡(Indium Tin Oxides,缩写为ITO)膜加工制作成的。ITO是一种具有良好透明导电性能的金属化合物,具有禁带宽、可见光谱区光透射率高和电阻率低等特性,ITO膜在厚度只有几千埃的情况下,氧化铟透过率高,氧化锡导电能力强,因而能在不影响玻璃透光性的条件下,使其获得导电性。

ITO导电玻璃被广泛地用于液晶显示器(LCD)、太阳能电池、平板显示器件、特殊功能窗口涂层以及光电子和各种光学领域。它也是是目前LCD、PDP、OLED、触摸屏等各类平板显示器件唯一的透明导电电极材料。作为平板显示器件的关键基础材料,ITO导电玻璃随着平板显示器件的不断更新和升级,也具有更加广阔的市场空间。

一些液晶显示器专用ITO导电玻璃,还会在镀ITO层之前,镀上一层二氧化硅阻挡层,以阻止基片玻璃上的钠离子向盒内液晶里扩散。高档液晶显示器专用ITO玻璃会在溅镀ITO层之前对基片玻璃进行抛光处理,以得到更均匀的显示控制。液晶显示器专用ITO玻璃基板一般属超浮法玻璃,所有的镀膜面为玻璃的浮法锡面。因此,最终的液晶显示器都会沿浮法方向,规律的出现波纹不平整情况。

在溅镀ITO层时,不同的靶材与玻璃间,在不同的温度和运动方式下,所得到的ITO层会有不同的特性。一些厂家的玻璃ITO层常常表面光洁度要低一些,更容易出现“麻点”现象;有些厂家的玻璃ITO层会出现高蚀间隔带,ITO层在蚀刻时,更容易出现直线放射型的缺划或电阻偏高带;另一些厂家的玻璃ITO层则会出现微晶沟缝。[4-6]

 

ITO导电玻璃                                             平板显示器件

 

铜铟镓硒薄膜太阳能电池

1974年,美国Bell实验室的Wagner等首先研制出具有单晶CuInSe2(CIS)/CdS结构的PN异质结光电探测器,并首次报道了光电转换效率5%的单晶CuInSe2太阳能电池。这标志着铜铟镓硒太阳能电池研究的开始。CIGS(铜铟镓硒)薄膜太阳能电池被称作第三代太阳能电池。铜铟镓硒薄膜太阳电池具有生产成本低、污染小、不衰退、弱光性能好等特点,光电转换效率居各种薄膜太阳能电池之首,接近晶体硅太阳电池,而成本则是晶体硅电池的三分之一,被国际上称为“下一时代非常有前途的新型薄膜太阳电池”。

薄膜太阳能电池是缓解能源危机的新型光伏器件。薄膜太阳能电池可以使用在价格低廉的陶瓷、石墨、金属片等不同材料当基板来制造,形成可产生电压的薄膜厚度仅需数μm,目前转换效率最高可以达13%。薄膜电池太阳电池除了平面之外,也因为具有可卷曲性,所以可以制作成非平面构造,其应用范围大,可与建筑物结合或是变成建筑体的一部份,应用非常广泛。铜铟镓硒薄膜太阳电池由于具有柔和、均匀的黑色外观,是对外观有较高要求场所的理想选择,如大型建筑物的玻璃幕墙等,在现代化高层建筑等领域有很大市场,因而在众多太阳能电池产品中成为发展最快的一族。[7]

 

铜铟镓硒薄膜太阳能电池

铟的其他应用

金属铟在工业上最初的应用领域是作为工业轴承的涂层,轴承的表面镀上铟,它的使用年限能比普通镀层的轴承延长5倍之多。铟易于在金属表面形成牢固的涂层,而且有良好的抗腐蚀性能,特别是能阻止碱性溶液的腐蚀作用。铟的涂层不仅具有鲜艳的色泽而且易于抛光打磨。除了用于抗腐蚀,铟镀层也可以用于装饰工艺方面,各种镜子、反光镜和反射器,如果表面镀上铟,则其反射性能会大大加强并耐海水的侵蚀,因此在海上船舶的反光镜常用到这种镀层。此外,表面镀铟的青铜丝网还可用于排除真空仪器的汞蒸气。除了纯铟涂层之外,也可以用铟锌合金作为涂层;铟和镓的合金涂层可以对滑动元件起润滑作用因而被用于电动真空仪器中。

许多合金在掺入少量的铟之后,可以提高合金的强度、提高其延展性、提高其抗磨损与抗腐蚀的性能等,有人称之为“奇妙的铟效应”。由于延展性极好、蒸气压低,又能够粘附在多种材料之上,所以它被广泛用作高空仪器和宇航设备中的垫片或内衬层材料。铟箔也常用作超声波线性阻滞的接触器。

由于铟的熔点较低,所以用它可制造出多种易熔合金。熔点在47~122℃范围内的这类含铟合金多用于制造各式各样的保险丝、熔断器、控温器及信号装置等。铟的许多易熔合金也用作钎焊料,甚至是纯净的金属铟本身,也极易与玻璃、石英、云母的表面润湿,且粘附得极佳。利用铟可以使压电材料制作成的零件相互牢固的焊接在一起。在制作多层集成电路时,选用含铟成分的钎焊料乃是至关重要的一步。

铟的一些化合物,如氧化物、硫化物和磷酸盐,多用于制造黄色和橙黄色玻璃,以及特种光学玻璃。碘化铟则常用作金属卤化物灯中的添加剂,旨在增强照明的输出功率和改善光谱的质量。三甲基铟(TMI)被用作II-VI 化合物半导体中半导体 掺杂剂。 InAs和
InSb用于低温晶体管,InP用于高温晶体管;InGaNInGaP中则被用于发光二极
 (LED)和激光二极管。[8-11]

 

镀铟轴承                                             保险丝                                        特种玻璃

参考文献

[1]Reich, F.; Richter, T. (1863). “Ueber das Indium”. Journal für Praktische Chemie (in German). 90 (1): 172–176. doi:10.1002/prac.18630900122.

[2]Venetskii, S. (1971). “Indium”. Metallurgist. 15 (2): 148–150. doi:10.1007/BF01088126.

[3]Weeks, Mary Elvira (1932). “The Discovery of the Elements: XIII. Some Spectroscopic Studies”. Journal of Chemical Education. 9 (8): 1413–1434. Bibcode:1932JChEd…9.1413Wdoi:10.1021/ed009p1413

[4]Tolcin, Amy C. “Mineral Yearbook 2007: Indium” (PDF). United States Geological Survey.

[5]Downs, Anthony John (1993). Chemistry of Aluminium, Gallium, Indium, and Thallium. Springer. pp. 89 and 106. ISBN 978-0-7514-0103-5.

[6] “The Electroluminescent Light Sabre”. Nanotechnology News Archive. Azonano. June 2, 2005. Archived from the original on October 12, 2007. Retrieved 2007-08-29.

[7] Powalla, M.; Dimmler, B. (2000). “Scaling up issues of CIGS solar cells”. Thin Solid Films. 361–362 (1–2): 540–546. Bibcode:2000TSF…361..540Pdoi:10.1016/S0040-6090(99)00849-4.

[8]Weissler, G. L., ed. (1990). Vacuum physics and technology. San Diego: Acad. Press. p. 296. ISBN 978-0-12-475914-5.

[9]Powell L. V., Johnson G. H., Bales D. J. (1989). “Effect of Admixed Indium on Mercury Vapor Release from Dental Amalgam” (PDF). Journal of Dental Research. 68 (8): 1231–3. CiteSeerX 10.1.1.576.2654doi:10.1177/00220345890680080301PMID 2632609.

[10]Greenwood and Earnshaw, p. 247

[11]Schubert, E. Fred (2003). Light-Emitting Diodes. Cambridge University Press. p. 16. ISBN 978-0-521-53351-5.

 

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