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Transparent, elektrisch leitfähige Schichten

Indium im TV

Mit transparenten, elektrisch leitfähigen Schichten (transparent ­conductive oxides, TCO) sind wir alltäglich konfrontiert, ohne uns ­darüber immer bewusst zu sein. Hauchdünne Schichten auf LCD-Flachbildschirmen, Touch Screens am Geldautomat oder Solarzellen auf Dächern garantieren die Funktion dieser Bauteile. Der Großteil dieser Schichten ­besteht aus Metalloxiden der Elemente Indium (In2O3), Zinn (SnO2) und Zink (ZnO).
Sie zeichnen sich durch eine gute elektrische Leitfähigkeit bei hoher optischer Trans­parenz aus. Es sind sog. wide band gap-Halbleiter mit einer großen Bandlücke zwischen Valenz- und Leitungsband von über 3 eV. Durch Dotierung können ­Leitfähigkeitswerte ­erzielt werden, die denen von Metallen vergleichbar sind.

Zu den häufigsten Materialkombinationen für TCO-Schichten gehört zinndotiertes Indiumoxid (ITO) mit etwa 90% In2O3 und 10% SnO2. Wegen des hohen In-Preises und der knappen Ressourcen werden auch alternative Beschichtungen diskutiert wie fluor­dotiertes SnO2, antimondotiertes SnO2 oder Zinkoxid, dotiert mit Al bzw. Sb.

Vorkommen nur in Gesellschaft

Indium ist mit einem Gehalt von etwa 0,05ppm in der Erdkruste ein seltenes Metall. Die Gesamtweltreserven werden zurzeit auf 16000?t geschätzt (Wikipedia). Am meisten ist In mit Zn-Erzen vergesellschaftet und liegt dort in den höchsten Konzentrationen vor. Bei den hohen Preisen für In (2010: 420 €/kg) ist das Element als Beiprodukt der Buntmetallgewinnung (Zn, Cu, Sn) für die Bergbauindustrie wirtschaftlich inte­r­­essant. In vulkanogenen und Sulfidlagerstätten ist das Element in beträchtlichen Konzentrationen vorhanden (z.B. Kidd Creek, Kanada, Neves-Corvo Portugal). Auch in kleineren Lagerstätten (Südafrika, China, Kanada) liegen Gehalte vor, die den Bedarf einige Jahre decken können. Häufig sind damit weitere High­tech-Metalle und Metalloxide vergesellschaftet (Ge, Ga, Bi, Te, SE), die eben­falls für die Elektronikindustrie von Bedeutung sind.

China ist mit 50% der Jahresförderung Marktführer, beschränkte aber ab 2010 seine Exportquoten um 30%, um die gesamte Wertschöpfungskette im Land zu behalten. Über 81% der europäischen In-Importe stammen aus China. Die Weltjahresproduktion stieg von ursprünglich 66t/a (1975) auf inzwischen 574t/a (2010).

Indium im Erzgebirge

Im Erzgebirge wurde von T. Seifert, TU Freiberg bis zu 1% Indium in Zinkblenden von ­Polymetallerzen nachgewiesen. Geschätzt wird das Vorkommen auf etwa 1000t. Damit zählt die Region weltweit zu den bedeutenden In-Lagerstätten. Für Seifert ist In auch ein Indikatorelement für die Entstehung von postmagmatischen Polymetall-Lagerstätten. Vererzungen mit In weisen offenbar einen Bezug zu magmatischen Gesteinen auf, die vor 315–290 Millionen Jahren in die erzgebirgische Kruste intrudierten und mit der Bildung dieser Lagerstätten verbunden sind. T. Seifert hat prominente Vorfahren, denn 1863 wurde an der Bergakademie in Freiberg von T. Reich und T. Richter Indium entdeckt. Sie beobachteten bei der Suche nach Thallium im Absorptionsspektrum des Mine­rals Pshalerit eine unbekannte indigoblaue Spektrallinie und schlossen daraus auf ein neues Element, dem sie wegen der charakteristischen Spektralfarbe den Namen Indium gaben.

Recycling und Alternativen

Nach derzeitigen Prognosen wird der Bedarf an In von derzeit 557t/a bis 2030 auf 1911t/a steigen. In Anbetracht der begrenzten Vorkommen ist in Zukunft ein effektives Recycling von seltenen Metallen unabdingbar. Bei vielen ist ein Ersatz zurzeit ohne Verlust an Qualität oder Performance der Produkte oder aus ökonomischen Gründen schwierig zu realisieren.

Indium wird hauptsächlich aus ITO regeneriert. Der Sputterpro­zess, bei dem ITO als dünner Film auf das Substrat aufgedampft wird, ist ziemlich in­effektiv, denn nur etwa 30% gelangen auf die zu behandelnde Oberfläche. Die restlichen 70% des verwendeten ITO ­verbleiben als Rückstand in der Sputteranlage. ITO-Recycling wird vor allem in China, Japan und Korea betrieben, wo ITO produziert und das Sputterverfahren angewandt wird.

Neben den auf Zink und Zinn basierten TCOs könnte in Zukunft Graphen ITO ersetzen. Die sp2-hybridisierten Kohlenstoffatome des Graphens bilden ein zweidimensionales Netzwerk mit hexagonaler Wabenstruktur. Die elektronischen Eigenschaften von Graphen sind theoretisch bekannt. Eine Konsequenz seiner ungewöhnlich­en Eigenschaften ist eine hohe Mobilität der Ladungsträger von über 10000 cm2/Vs. Es könnte deshalb Kandidat für schnelle elektronische Anwendungen werden. Graphen besitzt aber keine Bandlücke. Dies versucht man, durch Herausschneiden von nanometerbreiten Bändern oder durch p-bzw. n-Dotierung zu beheben. Graphen ist außerdem transparent und könnte deshalb ITO als alternatives Elektrodenmaterial ersetzen.

Für die nicht triviale Herstellung von Graphen gibt es mehrere Ansätze. Ursprünglich versuchte man einzelne Grahpenschichten mit Tesafilm von Graphit abzuziehen und auf Substrate zu übertragen. Effektiver ist das Erhitzen von SiC-Wafern, bei dem nach Verdampfen des Si Graphen großflächig erhalten wird. Die CVD-Gasphasenabscheidung und die Zersetzung von Kohlenstoffvorläufern wie Ethen auf Ir oder Ni liefert defektfreies großflächiges Graphen. Schließlich kann auch aus Graphitoxid Graphen gewonnen werden. Dazu lässt man Graphitoxid in Wasser quellen. Die einzelnen Schichten überträgt man dann auf Substrate und ­reduziert mit AlBH4 oder Hydrazin. Die Arbeitsgruppe um K. Müllen (MPI Mainz) nutzt klassische Verfahren der CC-Kopplung und Cyclisierung. Dabei entstehen relativ kleinflächige Graphene definierter Struktur.

GS

Foto: © istockphoto.com| Ferran Traite Soler

Stichwörter:
LCD-Flachbildschirmen, Touch Screens, Materialkombination, TCO-Schichten, zinndotiertes Indiumoxid, ITO, Konzentrationen, Exportquoten, Polymetall-Lagerstätten, Absorptionsspektrum, Pshalerit, nanometerbreiten Bändern, Spektrallinie, CVD-Gasphasenabscheidung,

C&M 3 / 2012

Diese Artikel wurden veröffentlicht in Ausgabe C&M 3 / 2012.
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