ITO的光学与电学应用研究进展

刘晓成，魏建宏,周耀渝，张嘉超，罗琳

ITO的光学与电学应用研究进展

刘晓成1，魏建宏2,周耀渝1，张嘉超1，罗琳1

（1. 湖南农业大学 资源环境学院，湖南 长沙 410128； 2. 湖南农业大学 生物科技学院，湖南 长沙 410128）

对ITO电极在光学与电学领域的应用做了说明，简要介绍了ITO电极的几种合成方法。以ITO国内外前沿领域热门的为基础，对于ITO电学性能和光学性能的研究。报道了ITO近5年的研究进展，对今后ITO相关研究拓宽思路。

ITO；光电性质；应用

掺锡In2O3（ITO）具有良好的光电性能，属于透明导电氧化物（TCO）的一种，具有n型半导体的性质，可通过改变锡的浓度来调控各类光电性能[1]。一般可通过两类方法合成，物理法包括蒸发沉积、磁控溅射、激光脉冲沉积、离子增强沉积等。化学法包括化学气相沉积、喷雾热解法、均相沉淀法、溶胶-凝胶法等[2]。传统ITO薄膜由于低电阻率高光透率，已经在很多领域得以广泛应用，同时与纳米金属的结合也渐渐成为光电子器件。当ITO膜电阻率降低到一定程度时，还会表现出很多特殊性质，这些性质甚至可以应用到最前沿的纳米光子学领域[3]。

1 ITO各领域性质研究

ITO一般采用化学计量比偏移或掺杂处理实现半导化，由于具有大于可见光子能量(3.1 eV)的光学禁带宽度，ITO薄膜一般对可见光照射不能引起本征激发，所以它对可见光透明。目前研究人员都在追求更低的电阻率，SAWADA等[3]通过增加载流子浓度的方法，使得ITO电阻率低于一般合成的10-4Ω•cm，同时讨论了载流子浓度与锡参杂之间的关系。研究发现当载流子浓度达到1.8×1021cm-3时，电阻率可以达到7.7×10-5Ω·cm，在较低的锡离子浓度下每一个加入的锡离子可以产生两个载流子[1]。

ITO除了在电学方面具有优越的性能，在光学领域同样具有传统光学元件不可比拟的优越性。传统光学元件在强相干照明下拥有较弱的光学非线性，而在显微镜，全光学数据处理和量子信息等领域，高阶的光学非线性都具有很好的研究前景。Alam等[3]测试了ITO膜在ENZ波长处显示出极高的三阶非线性，折射率实部变化达到了0.72 ± 0.025，表现出170%的线性折射率，可以在360飞秒之内完成可逆变化。

ITO不但自身具有良好的光学电学性能，还可以和纳米金属材料结合表现出同样突出的性质。银纳米线网已经被证实拥有近似ITO的低电阻率和高光透性，Chung等[4]通过在银纳米线周围包裹ITO颗粒，得到了表面平滑，机械粘合性和柔韧性远胜传统TCO的材料。这一试验成功证明了将金属纳米线网嵌入各种导电金属氧化物纳米颗粒基质的可行性，展现了ITO在光电子器件中广泛的应用前景。Yi等[5]将ITO负载到硅基金纳米架上，由于ITO活性层与等离子体之间的强耦合，得到了优秀的等离子体的吸收材料。

金属在ITO上的电沉积以及有机物在ITO的电聚合都会使得ITO的性质显著发生变化。Liu等[6]使用脉冲电沉积法在ITO膜表面负载Pt颗粒，研究了低电位脉冲持续时间对Pt颗粒表面形态与结构的影响，并使用甲醇测试了其电催化性能。虽然Pt颗粒可以独立催化甲醇的氧化，但是负载到ITO表面之后显著增大了电化学表面面积和每个活性位点的电催化性能。

事实上在ITO表面进行电聚合的研究有着极为广泛的引用，引入了有机物就有可能进一步的选择性的功能化ITO电极。Stern等[7]利用电聚合技术，在ITO上引入4-羟基苯乙酸，由于羟基端与ITO表面结合，游离的羧基就能够和蛋白质的氨基进行结合。如果使用粘性蛋白与ITO表面有机物结合，粘性蛋白再与细胞上特异性受体结合，就能较为牢固的负载细胞一类的生物材料到电极上。不仅如此，只要在ITO薄膜上预涂绝缘涂层，还能得到特异图案的精准负载，这对于生物检测及传感等具有重大意义。

除了传统的低电阻ITO，介孔ITO电极还可以与生物系统结合，应用于水氧化反应。Kato等[8]将蓝细菌光系统集成到介孔氧化铟锡电极上，首次获得亲水性金属氧化物表面支撑具有光催化活性的酶膜，其优秀的透光性展现了开发光驱动生物电化学装置的可能。借助ITO的电学特性，还可以准确测量直接蛋白膜伏安法的工作中的氧化还原电位，这对于光催化反应机理研究有重要意义。

2 ITO的电化学工业应用

ITO在工业上的广泛应用，通常使用盐酸对ITO表面进行刻蚀，这导致了大量的刻蚀废水，这些废水如果不及时处理，不但对环境造成了极大的污染，还是对刻蚀废水中金属元素的浪费。Swain等[9]在ITO刻蚀废水中，选择性的还原出100~500 nm铜纳米颗粒并达到了99%的还原效率，高效降低了废液中铜离子的浓度。

修饰的ITO同时良好的光学特性和电学特性，常应用于发光二极管以及聚合物太阳能电池领域。ITO电极一般可用于液晶显示器，有机光伏，有机发光二极管等领域，然而ITO本身较差的功函数不能满足实际需要，必须增加多个传输层，涂层的增加不但增加了制作电极的成本，还可能引入额外的异质结影响到设备稳定性，Helander等[10]将氯化ITO用于有机发光二极管的制备，大幅降低了成本，同时保障了很好的能量效率以及54%的最大外部量子效率。

Wang等[11]使用厚度为82 nm的ZnO纳米晶体作为缓冲层和电子传输层，通过溅射法制备了ITO电极，以此开发了具有高透明度的量子点发光二极管。尽管这种材料没有极为突出的电学性能，但是在窗户显示器和汽车挡风玻璃显示器等特殊领域也有很好的应用前景。

ITO的引入可以极大的改善一般聚合物太阳能电池的导电性和透光性。前透明导电氧化物层是一般硅异质结太阳能电池光能和电能的主要损耗来源，Barraud等[12]利用氢杂化的氧化铟改善电子流动性，然而氧化铟与银电极存在较高的接触电阻。为了有效解决这一问题，ITO薄膜被用于与氢杂化氧化铟结合成双层材料，大大降低了接触电阻，得到了4 cm2的硅异质结太阳能电池。

在工业应用中ITO还是属于较为昂贵的材料，因此很难大规模应用到聚合物太阳能电池中。为了有效降低成本，ITO的替代材料成为了热门的研究话题。Larsen-Olsen等[13]利用直接涂层手段，多层涂层堆叠的手段成功构建了性能优越的聚合物太阳能电池，这些涂层的价格都远远低于ITO。

3 ITO在电化学传感领域的应用

ITO良好的性能在传感领域体现最为直接，常与循环伏安法，计时安培法，差分脉冲伏安法来研究构造出的传感器的性能。Liu等[14]合成了一种基于轻便ITO的SK-BR-3乳腺癌细胞的光电化学检测的传感器，最低能检测每毫升58个细胞，在102~106个细胞时有良好的线性。ITO的引入不但保证了较高的选择性，同时还具有较高的稳定性，以及无细胞毒性等优点，在癌细胞检测中有着良好的应用前景。

Sivasakthi等[15]从氨基磺酸镍电解质中通过脉冲电沉积方法，在低碳钢基材上制备镍和镍-ITO纳米复合材料，用于非酶催化葡萄糖检测，有着3.74 μm检测限，同时在0.02~3.00 mm具有较好的线性。

Wang等[16]在硫化铋膜改性的ITO电极（Bi2S3/ITO）上构建了无标记和高通量生物传感器,提出了新型两步恒定电位沉积方法。所制备的Bi2S3/ITO电极在可见光范围内具有优异的均匀性和高转换效率，进一步用金纳米颗粒改性，通过绝缘涂料分成分离的相同感测区。

Sookhakian等[17]以逐层电沉积方式把还原的氧化石墨烯和具有不同氧化石墨烯负载的钯纳米壁负载到ITO上，用于过氧化氢的检测。这些装置显示最低检测限为0.24μm，远高于常规过氧化氢检测手段，主要由于钯纳米壁的电催化活性和氧化石墨烯的高电导率和大表面积之间的协同效应。

Lin等[18]热处理的溅射法制备了一种基于石英衬底的ITO薄膜传感器，并应用于氨气的检测，具有73和104s的快速响应和恢复时间。相比传统氨气检测器，具有结构简单，操作方便，成本低，性能优异等特点。

随着检测技术的发展，ITO与其他材料的符合材料更是具备了选择性检测的功能。Rigoni等[19]利用ITO纳米颗粒来功能化单壁碳纳米管（SWCNT），并用于选择性检测氨气和二氧化氮气体。在接合处形成纳米异质结，提高了空间电荷层的积累的气体感测机制，进而提高了检测性能。同时紫外线照射能使该材料对于二氧化氮检测性能恢复，使得材料具有很好的可重复性。

Echabaane等[20]使用旋涂技术，在ITO表面沉积有机物薄膜，并用于铝离子的检测，界面通过使用电化学阻抗光谱的阻抗测量表征。此外，根据接触角测试结果，有机物的引入大大增强了铝离子在界面处的粘附，大大增强了检测的灵敏度。

Wang等[21]通过一种简单可控离子注入和退火方法生产了氧化铜纳米颗粒修饰的ITO电极，产出的颗粒具有高电活性位点和高比表面积。这种电极具有对碱性条件下葡萄糖有极好的灵敏性，线性范围高达654.4 mm，以及0.7μm的检测限。相比一般电极，良好的抗毒性，再现性和稳定性，具有广阔的应用前景。

4 结束语

ITO不但本身具有优良的化学性质，还可以通过特殊负载手段与纳米金属，生物材料结合产生更为优异的光学电学性能。通过电聚合与电沉积等电化学手段，可用于物质检测和生物传感器的构建。通过特殊的涂层工艺，可用于高效光电二极管构建，同时还可用于改良聚合物太阳能电池。如此广泛的应用为ITO今后的大规模普及提供了新方向。

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Research Progress in Optical and Electrical Application of ITO

1,2,1,1,1

（1. College of Resources and Environment, Hunan Agricultural University, Hunan Changsha 410128, China； 2. College of Bioscience and Biotechnology, Hunan Agricultural University, Hunan Changsha 410128, China）

Application of ITO electrode in optical and electrical fields was described. Several synthesis methods of ITO electrode were briefly introduced, and the researches on ITO electrical and optical properties were discussed based on the novel investigation. The research progress in ITO in the recent 5 years was summarized.

ITO; Optical and electrical characteristics; Application

TQ 035

A

1671-0460（2017）12-2617-03

2017-01-16

刘晓成（1996-），男，安徽省合肥市人，研究方向：从事电芬顿降解。E-mail：qinaiyumeishi@163.com。