没有它，你在日常生活中的视觉享受会大打折扣。
撰文 | 李研
编辑 | 小赛
中国丰富的稀土资源在军事和工业领域具有很高的战略价值。其中一种元素是比稀土还稀有的金属。它的影子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中。
我今天要介绍的就是铟。
铟的发现
铟(In)是第49号元素，其化学性质与周期表中同族的铝和镓相似。在化合物中，最外面的三个电子经常丢失以显示3价。
1863年，德国赖克和李希特在研究闪锌矿时发现了铟。赖克在处理矿石时得到一种成分不明的稻草黄色沉淀物，认为是一种新元素的硫化物。由于当时技术条件的限制，光谱分析是证明这一假说的唯一手段。不幸的是，赖克是色盲，他不得不请助手李希特进行光谱分析实验。在第一次实验中，李希特在分光镜中发现了一条靛蓝亮线，其位置与已知铯元素的两条蓝线不重合，于是他用希腊单词“indigo”将这种新元素命名为铟(indium)。
赖克(左)和李希特(右)
铟在地壳中的含量很低，小于稀土元素，主要存在于铁闪锌矿(铟含量为0.0001% ~ 0.1%)等多金属硫化矿中。此外，含铟矿物分布分散，至今未发现富矿。全球90%的铟产量来自铅锌冶炼厂的副产品。因此，铟被列为稀有金属，全球铟储量估计只有5万吨。
中国是铟资源最丰富的国家，占全球铟矿产资源的一半以上。但近两年来，随着国家对铟出口配额的设立和自身需求的增长，铟的出口量在逐年减少。
左：地壳中各种元素的丰度(来源：维基百科)右：主要铟生产国占全球铟产量的百分比
铟的化学性质和主要应用
铟是一种非常软的银灰色金属，你可以很容易地用指甲划伤表面。铟容易在其他金属表面形成牢固的涂层，具有良好的耐腐蚀性。
铟金属条，用手很容易白万。(来源：chemistrylearner.com)
铟的第一次重要应用始于第二次世界大战。通过使用含铟涂层，飞机发动机轴承的使用寿命已经显著延长。此后，铟的延展性好、熔点低、易形成络合物等特性逐渐被挖掘出来，在焊料、易熔合金、催化剂等方面有了很多应用。
铟于上世纪末进入我们的日常生活。科学家发现，铟的氧化物氧化铟锡(ITO)可用于制备透明导电膜。这种材料将很快成为各种平板显示器和触摸屏中不可或缺的关键部件。IT行业的快速发展带动了ITO需求的爆发式增长。目前全球铟消费量的80%以上与ITO材料有关。
ITO薄膜生产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。(来源：infinity-h2020.eu)
ITO――透光和导电的完美结合
不要小看透明和导电这两个特性。这两个特征的结合对于许多关键技术的实现至关重要。以手机触摸屏为例，我们可以感觉到手机屏幕是一层透明的硬玻璃。但单纯按玻璃不会触发电信号的变化，所以无法实现触摸操作的功能。铁、铜等金属确实可以解决电信号传输的问题，但如果将这类金属镀在玻璃下，手机屏幕就会变成不透明的“铁板”，失去应有的显示功能。因此，我们必须找到一种具有良好导电性和足够透明度的薄膜材料。
然而，我们身边能实现导电和透明结合的材料却少之又少。我们通常所说的透明，是指一个物体不吸收光谱中的可见光。如果材料要透明，至少要满足带隙大于3.1eV(对应400nm紫光波长的能量)的要求。
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》，2012，41，783
6.http://www.indium.com/indium
文章头图及封面图片来源：pixabay.com
来源：赛先生
