Il grafene può sostituire indio e stagno.

Claudio Della Volpe

L'indio è elencato dall'American Chemical Society come uno dei nove elementi “in via di estinzione” con una limitata abbondanza di circa 250 × 10–9% nella crosta terrestre.

Tuttavia, a causa della mancanza di una valida sostituzione, l'ossido di indio-stagno (ITO) è ancora il materiale preferito per molte applicazioni che richiedono elettrodi conduttivi trasparenti.

Una breve nota su come funziona ITO. L’ossido di indio-stagno (più precisamente ossido di indio drogato con stagno, soprattutto noto con l’acronimo ITO, dall’inglese Indium tin oxide) è una soluzione solida di ossido di indio In₂O₃ e ossido di stagno (IV) (SnO₂), tipicamente in percentuale in peso intorno al 90% In₂O₃ e 10% SnO₂. Esso è elettricamente conduttore e anche trasparente alla luce visibile; come mai?

Gli atomi In⁺³ nella struttura cubica tipo bixbyite nel In₂O₃ sono sostituiti con atomi di stagno. Lo stagno forma così un legame interstiziale con l’ossigeno ed esiste sia sotto forma di SnO che SnO₂, presentando quindi rispettivamente una valenza +2 e +4. Questi stati di valenza hanno una diretta connessione con la conduttività finale dell’ITO.

Infatti lo stato di valenza più basso (+2) risulta in una netta riduzione nella concentrazione di ioni ossigeno negativi necessari a bilanciare le cariche positive (ce ne vorranno solo due invece di tre ogni coppia di atomi di indio sostituiti); la buca creatasi nella rete di ioni negativi consente la diffusione di questi ioni e dunque parte almeno della conducibilità elettrica (conducibilità ionica). Dall’altro lato una predominanza dello stato SnO₂ si comporta come un donatore di tipo n (n sta per negativo) fornendo elettroni alla banda conduttiva (conducibilità elettrica). Dunque nell’ossido di indio-stagno sia lo stagno sostitutivo che la lacuna di ossigeno contribuiscono all’alta conduttività e il materiale potrebbe essere rappresentato come In_2-xSn_xO_3-2x.

L’alta trasmittanza ottica delle pellicole di ITO è anche essa la diretta conseguenza dell’essere un semiconduttore la cui band-gap come si dice, ossia la differenza di energia fra banda di valenza e di conduzione è generalmente maggiore di 3,75 eV. Questo valore corrisponde alla finestra dell’ultravioletto (ma si sposta a più basse lunghezze d’onda con l’aumento della concentrazione di portatori di carica) lasciando libero il visibile.

Dunque ITO è un semiconduttore un po’ particolare e molto usato proprio per queste particolarità. Esso viene depositato su vetri normali in ragione di 20-150nm consentendogli di rimanere trasparente ma di acquisire conduzione elettrica; questo gli consente di essere usato sia nell’industria elettronica che in quella delle costruzioni (le grandi vetrate isolanti sono in pratica “gabbie di Faraday” per gli IR in entrata ed uscita anche se sono costituite di materiali leggermente diversi perché il film è ossido di stagno dopato con fluoro in ragione del diverso bandgap; fateci caso negli edifici con vetrate isolanti spesso il cellulare non riceve!!)

Gli autori del lavoro che presentiamo, membri della Queen Mary University e della Paragraf Limited, affermano: “A causa della sua importanza e scarsità, ci sono stati molti tentativi di sostituire ITO, ma fino ad ora nessun materiale è stato trovato con prestazioni paragonabili in un dispositivo elettronico o ottico“.

“Il nostro lavoro è il primo al mondo a dimostrare che il grafene può sostituire ITO in un dispositivo elettronico/ottico. Abbiamo dimostrato che un OLED al grafene ha prestazioni identiche a un ITO-OLED. Gli ITO-OLED sono ampiamente utilizzati come schermi a contatto sui nostri telefoni cellulari.“

Sfruttando il grafene monostrato di alta qualità depositato direttamente su un substrato trasparente utilizzando un sistema di deposizione di vapore chimico metallo-organico (MOCVD) disponibile in commercio, sono stati sviluppati diodi organici a emissione di luce (OLED) a base di grafene senza l'uso di catalizzatori metallici. 

Il grafene viene modellato utilizzando la fotolitografia e la sua conduttività è migliorata drogandolo con acido nitrico prima della deposizione dello stack OLED. Le prestazioni ottiche ed elettriche degli OLED a base di grafene fabbricati sono identiche a quelle dei dispositivi di controllo con anodi ITO convenzionali.

https://phys.org/news/2022-01-graphene-rare-metal-mobile-screens.html?deviceType=desktop

DOI: 10.1002/adom.202101675  Adv. Optical Mater. 2021, 2101675

2101675 (1 of 8)  Wafer-Scale Graphene Anodes Replace Indium Tin Oxide in Organic Light-Emitting Diodes  Zhichao Weng, Sebastian C. Dixon, Lok Yi Lee, Colin J. Humphreys,* Ivor Guiney, Oliver Fenwick, and William P. Gillin

Nell’arco di pochi anni dalla scoperta del grafene si sono sviluppati ormai metodi a basso costo per produrlo in ingenti quantità, in dimensioni macroscopiche ed usarlo in comuni applicazioni. Questo almeno in teoria consente di risparmiare elementi rari e difficili da estrarre.

Si tratta certamente di una scoperta molto utile e che crediamo potrebbe avere notevoli applicazioni anche nel campo energetico perché i materiali ITO sono usati in numerose applicazioni che hanno a che fare col risparmio energetico e la conversione dell’energia (es.: vetrate isolanti e celle fotovoltaiche).