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如果没有它，你在日常生活中的视觉享受将会大打折扣。

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撰文 | 李研编辑 | 小赛中国掌握的丰富稀土资源在军事和工业方面具有很高的战略价值其中有一种元素，是比稀土更稀有的金属它的身影不仅出现在航空航天等高科技领域，也隐藏在我们日常生活中常见的手机显示屏里它就是我今天要介绍的铟（In）。

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铟的发现

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铟（In）是第49号元素，化学性质与周期表中同族的铝和镓类似，在化合物中经常失去最外层的3个电子显+3价1863年，德国的赖希（Ferdinand Reich）和李希特（Hieronymous Theodor Richter）在研究闪锌矿时发现了铟元素。

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赖希在处理矿石时得到了一种不知成分的草黄色沉淀物，并认为这是一种新元素的硫化物由于当时的技术条件限制，光谱分析是证明这一假设的唯一手段可惜赖希是色盲，只得请求他的助手李希特进行光谱分析实验李希特第一次实验就在分光镜中发现一条靛蓝色的明线，位置和已知铯元素的两条蓝色线不重合，于是他就以希腊文“靛蓝”（indikon）一词命名这种新元素为indium（铟）。

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赖希（左）和李希特（右）铟在地壳中的含量很低，比稀土元素更少，主要存在于铁闪锌矿（铟的含量为0.0001％～0.1％）以及其他多金属硫化物矿石中此外，含铟的矿藏分布较为分散，至今为止也没有发现过富矿，世界上铟产量的90%来自铅锌冶炼厂的副产物。

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因此铟被归类为稀有金属，全球铟储量预估仅5万吨中国是铟资源最丰富的国家，占全球铟矿产量的一半以上。但近两年来，随着国家对铟出口限额的制定和自身需求的增长，铟的出口的正在逐年减少。

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左：各种元素在地壳中的丰度（图源：wikipedia）右：主要铟生产国在全球铟产量中所占的百分比铟的化学性质和主要应用铟是一种非常柔软的银灰色金属，你可以用指甲轻易在表面留下划痕铟易于在其他金属表面形成牢固的涂层，且有良好的抗腐蚀性能。

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铟的金属条，可以用手轻松掰弯（图源：chemistrylearner.com）铟的第一个重要应用始于二战人们通过使用含铟的涂料，显著提高了飞机发动机轴承的使用寿命其后，铟的延展性好、低熔点以及易形成配合物的特点被逐渐挖掘，并在焊料、易熔合金和催化剂中找到了很多用武之地。

铟元素走进我们的日常生活则源于上世纪末，科学家发现铟的一种氧化物——氧化铟锡（ITO）可用于制备透明又导电的薄膜这种材料很快成为各种平板显示器及触摸屏中不可或缺的关键组件IT产业的迅猛发展带动了ITO需求的爆发性增长，目前全球铟消费的80%以上都与ITO材料相关。

生产ITO薄膜是铟的主要消费领域，目前占全球铟消费量的80%以上；其次是焊料和合金，以及电子半导体领域（图源：infinity-h2020.eu）ITO——透光和导电的完美结合大家不要小看透明与导电这两种特性，这两种特性的结合对很多关键技术的实现至关重要。

以手机的触摸屏为例，我们能感受到手机的屏幕是一层透明的硬质玻璃，但因为玻璃是绝缘体，单纯按压玻璃并不会触发电信号变化，也就无法实现触摸操作的功能铁和铜这样的金属确实能解决电信号传导的问题，但是如果把这样的金属镀在玻璃下面，手机屏幕会变成不透光的“铁板一块”，失去了应有的显示功能。

因此，我们必须找到一种既有良好的导电性，本身又足够透明的薄膜材料然而，我们身边可以实现导电与透明结合的材料非常的稀少我们通常所说的透明，是指物体不吸收光谱中可见光的波段固体材料要想实现透明，至少要满足禁带宽度大于3.1eV（对应着400nm 紫色光波长的能量）。

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敲黑板“禁带”是指导带（conduction band）和价带（valence band）之间存在的一个电子无法填充的“能隙”但禁带宽度也不是越大越好如果禁带宽度太大，电子跃迁所需的能量就越大，材料导电性也就越差。

查看常见材料的禁带宽度，我们可以发现，禁带大于3.1 eV这一要求已将金属导体和大部分常见的半导体都排除在外了换句话说，透明的物体往往像玻璃一样是电绝缘体常见材料在室温（300 K）下的禁带宽度：

（数据来源：Introduction to Solid State Physics, 6th Ed., New York: John Wiley, 1986, p. 185.）如何解决这个看似”鱼和熊掌不可兼得”的矛盾？科学家们经过不断的探索，终于在一些金属氧化物中找到了希望，氧化铟（In2O3）就是其中的佼佼者。

In2O3室温下的禁带宽度约为3.7 eV，可以满足透光的先决条件，但这样宽的禁带，也决定了In2O3是电的不良导体为了提高In2O3的导电性，人们在其中加入了氧化锡（SnO2），形成氧化铟锡（ITO）。

ITO中约10%的In被Sn取代这种在纯净半导体中混入其他元素调节电导率的方法，在物理学中被称为 “掺杂（doping）”锡在周期表中与铟相邻，锡原子的最外层比铟多一个电子，通常显+4价In2O3中有约10%的+3价的In被+4价的Sn所取代，这一变化并没有明显影响禁带的宽度，却显著增加了材料中电子的数量。

这使得ITO获得了接近金属的电导率，而光的透射率却依然可以达到85%以上

左：ITO 的电导率（与常见金属和纯净的硅比较）右：带有ITO导电膜的玻璃（Sn的掺杂量越多，ITO导电性能提高，但透光率也会有降低）值得一提的是，ITO薄膜的透光是指针对波长400-700 nm之间的可见光波段。

波长小于350nm，能量大于禁带宽度的紫外光并不能透过，所以ITO在满足导电和透光需求的同时，还可以屏蔽对人体有害的紫外光因此，除了显示器件 ，ITO也被广泛应用在防护镜、调光玻璃、电加热玻璃以及太阳能电池板等诸多领域。

不出意外，你在浏览这篇文章的时候，也正在盯着一块带有ITO的显示屏看呢ITO 可以被替代吗？ITO 薄膜是目前综合性能最优秀的透明导电材料，但由于铟元素是一种稀有且越发昂贵的金属，同时ITO薄膜缺乏柔韧性，在大幅弯曲后导电性会急剧下降而无法应用在柔性显示屏，因此如何利用非稀缺资源制备透明导电材料，特别是可弯折的薄膜成为材料学领域的一个研究热点。

已经发现的兼具透光和导电特性的材料还有FTO（F掺杂的SnO2）、AZO（Al掺杂的ZnO）、银纳米线、金属网格、石墨烯、碳纳米管和一些导电聚合物等最近，我国科学家还发现，通过引入某些导电聚合物，金属有机框架（MOF）材料也可以转换为高导电性和高透光性薄膜。

据传，三星今年推出的可折叠手机Galaxy Fold中，就是用金属网格材料替代了ITO作为透明电极，从而实现了手机显示屏的可折叠弯曲

然而，由于制备工艺简单，上下游产业链成熟，ITO薄膜仍然是当今应用最广的透明导电材料如果没有铟元素，没有ITO的发现，现代生活中人们的视觉享受将会大打折扣面对全球铟资源越来越紧缺的大环境，中国应该保护好自身有优势的资源，同时开发高效、经济、环境友好的从废旧显示屏中回收铟的工艺。

我国目前每年手机、电视、计算机等电子产品的报废量已达到上亿台，显然，回收报废电子产品中的铟有助于缓解铟资源的供应压力，是降低对铟矿开采依赖的一种策略这不仅有赖于机械拆解、物理分选、冶金提取等领域的技术进步,在一定程度上还需来自废物回收、环保立法和产品设计等层面的共同支持。

小编：于是问题来了，废旧的显示屏属于什么垃圾？参考资料1.https://zh.wikipedia.org/zh-hans/铟2.https://en.wikipedia.org/wiki/Transparent_conducting_film

3.https://zh.wikipedia.org/wiki/氧化铟锡4.Li, Z., Guo, Y., Ying, W. et al. Sci. China Mater. (2019). Highly conductive and transparent metal-organic frameworks thin film, https://doi.org/10.1007/s40843-019-9432-y

5.王焕华，透明导电氧化物的原理、问题与研究分析，《物理》，2012，41，7836.http://www.indium.com/indium文章头图及封面图片来源：pixabay.com来源：赛先生编辑：重光

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