銦錫氧化物屏或將被銀屏取代

                                      2017年04月17日 9:0 47686次瀏覽 來源:   分類: 銦鉍鍺   作者:

                                      導讀:   當前,以信息技術為中心的新興產業已經起步發展,并席卷全球每塊土地,我們在看電視,時時在用手機,可是你知道它們的平板顯示器是用什么材料制的呢?各類電腦和電子設備的各類板顯示器是用什么材料制成呢?目前,它們都是用銦錫氧化物(ITO)制造的,是用它們的薄膜制造的,沒有這層薄薄膜的顯示,我們什么也看不見,統統變成瞎子,2016年,全世界提取的銦約有78%消耗于此類產品,不過在若干年后,銦錫氧化物膜有可能被薄得令人嘆為觀止的7nm(nano meter)厚的銀膜替代,但在可預見的未來,你的屏幕中仍有銦錫氧化物。當下,LED光源也是銦應用的一個重要領域。

                                        當前,以信息技術為中心的新興產業已經起步發展,并席卷全球每塊土地,我們在看電視,時時在用手機,可是你知道它們的平板顯示器是用什么材料制的呢?各類電腦和電子設備的各類板顯示器是用什么材料制成呢?目前,它們都是用銦錫氧化物(ITO)制造的,是用它們的薄膜制造的,沒有這層薄薄膜的顯示,我們什么也看不見,統統變成瞎子,2016年,全世界提取的銦約有78%消耗于此類產品,不過在若干年后,銦錫氧化物膜有可能被薄得令人嘆為觀止的7nm(nano meter)厚的銀膜替代,但在可預見的未來,你的屏幕中仍有銦錫氧化物。當下,LED光源也是銦應用的一個重要領域。
                                        銀膜為何可用于顯示屏
                                        不管什么材料凡是能在智能手機屏幕和LCD電視屏幕中獲得應用,必須具備如下的關鍵特性:良好的導電性能;很好的透明度;優秀的加工成形性,可靶射成比蟬翼還薄得不可比擬的納米級膜,表面光潔亮晶晶,有良好的可彎曲性能,可制成各種弧度的顯示屏;在大氣中不會腐蝕,始終保持光亮的表面;對環境友好,對人體無害;資源較多,不太稀貴,有一定的市場競爭力等。
                                        銦是一種稀散金屬,但也并非貴得離譜,也并非極其稀缺,2016年,美國金屬市場的平均價格為240.3美元/千克,但其供應量是固定的,也沒有真正的主要來源,如美國需要的銦都從中國與加拿大進口,為了擺脫此局面,所以新世紀以來,他們的研究人員一直在尋找可取代銦錫氧化物的性能更好的價格便宜一些的替代物,但經過十幾年的研究沒有取得有實用價值的成就,有些人與公司放棄了,有些破產了,有些仍在孜孜不倦埋頭苦干。功夫不負有心人,2016年,他們終于找到了大有實用價值的替代物,它就是超薄銀膜。
                                        美國《大眾科學》月刊網站2016年3月25日報道,標題為《未來的屏幕可能由透明的銀制成》,美國密歇根大學電子工程和計算機科學系教授在美國《先進材料》月刊2017年3月期上發表的論文稱:使用薄薄的僅7nm厚的銀膜是可以作為顯示屏幕的,它有良好的導電性,而且清晰透明(見《參考消息》2017年3月28日第7版),更難能可貴的是,銀-鋁或銀-銅合金膜有非常好的延展性,可以任意彎曲,制成曲面屏幕,而銦錫氧化物沒有這種本事,相當脆硬,不能彎曲,純銀膜也相當脆硬,無法制成曲面屏幕,但銀-鋁或銀-銅合金納米膜不但彎曲,而且表面非常光滑。郭凌杰說:“尤其在未來,需要越來越多的可彎曲設備,我認為這可能大有用途。”不過,美國哥倫比亞大學電子工程學副教授Y.基米西斯說:“對于可彎曲顯示屏來說,銀是極好的材料。”但他提醒說,“銦錫氧化物不會很快被取代。”
                                        銦的性能
                                        銦(In)是一種稀散金屬,“稀”是指稀少,據美國地質調查局(USGS)的資料,2008年世界銦儲量為11000t,基礎儲量16000t,儲量較多的國家是中國、秘魯、美國、加拿大和俄羅斯,它們的儲量占全世界總量的81%左右,中國的儲量最豐富,但也只有約8000t,也有資料稱,中國的儲量超過12kt;“散”是指銦在地殼中的分布很分散,雖然確定有5種獨立礦種(赤鐵礦石、銅鉬礦、含銅、鉛、鋅的錫石和黑鎢礦石等),但它們在自然界很稀少,而銦多以雜質形式分散于其他元素礦物中,65%以上分散于鉛鋅礦中。銦是中國優勢資源之一,分布也較為集中,主要集中在云南、湖南、青海、內蒙古和廣西。
                                        銦是德國化學家賴希(F.Reich)和里希特(H.T.Richter)1863年在研究閃鋅礦用光譜分析含氧化鋅的溶液時,發現一條鮮藍色新譜,隨后分離出一種新的金屬,他們按拉丁文藍色(Indium)將這種金屬命名indium,中文音譯“銦”。
                                        銦是一種有金屬光澤的銀白色金屬,質地柔軟,用指甲就可以劃出明顯印痕;密度7280kg/m3~7362kg/m3;熔點低,156.6℃,而沸點甚高,2075℃~2100℃;銦的電導率低,僅為銅電導率的20%,電阻溫度系數為4.9×103,電阻率8.5Ω·m~9Ω·m;銦的線脹系數幾乎比銅的大一倍;銦有良好的塑性,可以加工成各種半成品;它的晶體結構為面心四方。用銦磨擦另一種物質時,就會被吸附一些在那種物質上,足見它的硬度之低。銦在0℃~100℃的平均熱導率80.0W/(m·k)。
                                        銦的原子序數49,是周期表第五周期Ⅲα族中的一個元素,與硼、鋁、鎵、鉈屬同族元素,在空氣中很穩定,不會氧化,仍能保持著銀白色的金屬光澤。可以緩慢地溶于冷稀酸,但在熱酸或濃酸中會劇烈溶解,一般銦與沸水或堿液不發生反應,銦粉電解加工應采用可以發生可逆電極反應的締電解質。銦的電鍍在硫酸鹽、氟硼酸鹽和氨基酸磺酸液中進行。銦可與許多元素形成二元、三元、四元或更多元合金。通常,向許多合金中加入少量銦,就能使其表面硬化,提高其強度和抗腐蝕性能。
                                        銦本身對人體無害,對皮膚無刺激作用,在生產中采取通用衛生防護措施即可,但不可用于飲食工業,可溶性銦化物有一定的毒性,如磷化銦可致癌,歐盟化學委員會已于2010年1月將其列為危險化學品。
                                        銦的用途
                                        銦有合金“維生素”之稱,向有些合金中添加少許銦即可改善某些性能,純度為99.97%In是配制高速航空發動機銀-鉛-銦軸承合金的主要合金化元素。銦是元鉛焊料的重要添加元素,如銦可用于取代著名的伍德合金中的鉛,每加1%In,可使其熔點下降低1.45℃,當加至19.1%時,熔點可降到47℃。含量銦的軸承合金的使用壽命比不含銦合金的長三四倍。低熔點的含銦合金在消防裝備中獲得了廣泛應用,用于斷路保護裝備及自動控制系統的熱控裝備。
                                        含銦與錫各50%的合金是良好的真空密封材料,可粘接玻璃-玻璃或玻璃-金屬;含銦的金、鈀、銀、銅合金是牙科與裝飾品的優秀材料。由于銦具有相當強的對光的反射能力和抗腐能力,是制造艦船反射鏡的上乘材料。銦對中子輻射很敏感,成為原子能工業監控劑量材料的高手。
                                        銦是蓄電池的良好添加劑,是無汞堿性電池的上乘緩蝕劑,使電池成為搶手的綠色環保產品,銦在防止玻璃霧化層形成方面有著神奇的效果,在汽車玻璃上涂一層薄薄的透明銦,可在任何情況下不產生霧化層,已在高檔汽車玻璃領域獲得較多的應用,在商業大廈與住宅別墅等玻璃方面也會有一定的應用前景。
                                        銦及化合物在光電子器件及半導體器材領域有著廣泛的應用,如銻化銦(InSb)、磷化銦(Inp)、砷化銦(InAs)等是有名的半導體器件材料。特別是磷化銦已在光纖通訊,激光光源和異質結太陽能電池方面得到有效的廣泛應用,是優異的太陽能電池膜材料,具有轉換率高、成本較低、便于攜帶、制造工藝簡單等優點;銻化銦和砷化銦在紅外探測和光磁器件制造方面也有著不可或缺的重要用途。LED光源也是銦應用的重要范圍。
                                        以上僅是銦及其化合物應用的方方面面,當前消耗銦最多的是銦錫氧化物(ITO),2016年全世界生產的銦約有78%用于制備此種氧化物膜,供制造各種平板顯示器屏幕,即使銀顯示屏在未來獲得廣泛的應用,ITO顯示屏幕也不會煙消云散。
                                        銦的提取
                                        中國是銦的故鄉,銦生產大國,云南省是中國銦資源開發重點地區與生產大省。一般銦的提取過程可分為四階段:一是在主要重有色金屬冶煉過程中的富集,作為綜合利用副產品回收;二是制取銦富集物;三是通過種種化學冶金過程制取粗銦;四是電解粗銦獲得4N(99.99%)的精銦。目前全球提取銦的主要工藝為萃取-電解法,其原則工藝流程:含銦原料→富集(銦含量宜≥0.002%)→浸出→凈化→萃取→反萃取→鋅(鋁)置換→海綿銦→電解精煉→精銦。
                                        目前銦的提取-半成品加工-使用-回收再生已成為一個非常有效的循環經濟,完全成熟,2006年全球再生銦產量就已超過原生銦的,前者75%以上是用新廢料回收的,因為全球2016年銦的78%用于ITO靶村制備。制備靶材時ITO的利用率很低,僅20%~30%,其余的即是提取的新廢料,含39%銦~55%銦,2.25%錫~3.15%錫,以及微量銅、硅、鐵等雜質。
                                        回收再生銦的廢料有新的與舊的,新者是指生產靶材時的工藝廢料與生產ITO導電膜的靶材余料,舊廢料是指使用壽命到期的含銦電子產品,如液晶屏等,但新廢料占主導地位,中國已掌握成熟的廢靶回收技術,但ITO靶材生產技術與工業發達國家的相比還有較大差距。
                                        現在,日本的5家企業、韓國三星公司、比利時優美科公司、美國銦公司、德國賀利氏公司等的ITO靶材生產技術居世界前列,但是日本的能源公司、東曹公司、同和公司、三井公司和住友公司不但產量最大,2016年產量約占世界總產量的85%,而且握生產技術牛耳,韓國三星公司產量約占全球總產量的12%,其他公司僅占3%。
                                        中國目前只能生產中低端ITO靶材,高端靶材大都從日本進口,雖然自1994年以來,華錫集團股份有限公司、株洲冶煉集團股份有限公司、東方鉭業公司、山東威海藍狐特種材料有限公司、韶關西格瑪技術有限公司等都先后對此技術做了許多研發工作,但至尚未全面掌握高品質ITO靶材制備所需的氣氛燒結技術。因此,中國還不能批量生產大尺寸、高密度、高純度、高均勻性的ITO靶材。日本以低的價格從中國進口銦原料,卻以高得驚人的價格向中國出口ITO靶材和顯示屏幕膜。

                                      責任編輯:周大偉

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