地球密码 | 触摸屏背后的“隐形之手”—铟
今天,我们每天都在与手机屏幕进行着亲密互动。那是什么在施展屏幕“感知”我们指尖温度与意图的魔法?是隐藏在幕后的关键角色——金属元素“铟”。
铟的发现是一段充满意外与坚持的科学佳话。1863年,德国弗莱贝格矿业学院的费迪南德·赖希教授和他的助手希罗尼穆斯·里希特,在研究闪锌矿样本时,试图寻找新金属“铊”,却意外地在光谱分析中发现了一条独特的靛蓝色光谱线。他们以拉丁词“indicum”(意为靛蓝色)为其命名,中文译为“铟”。
铟具有极佳的延展性,可以被压制成薄如蝉翼的箔片。而且,铟的电阻率极低,是一种优良的导体。这种特性使其在需要形变和导电的柔性电子领域具备了天然优势。
铟的化学性质相对稳定,在常温下不易被空气氧化。然而,当它在高温下与氧气相遇,便会生成一种独特的化合物——三氧化二铟。奇妙的是,这种氧化物不仅化学性质稳定,而且在作为薄膜时,呈现出两大看似矛盾却又完美统一的特性:既能高效导电,又对可见光高度透明。正是这一关键的化学行为,为铟日后称霸显示领域埋下了最重要的伏笔。当三氧化二铟中再掺入少量锡,形成的“氧化铟锡”更是将这种透明导电特性发挥到了极致。
凭借其独特的性质,铟已深度融入现代科技的多个核心领域,形成了一个庞大且至关重要的产业链。
当前,全球约70%的铟都被用于制造ITO(氧化铟锡)靶材,这种靶材通过磁控溅射工艺,在玻璃或柔性基板上形成一层厚度仅为纳米级的ITO导电膜。这层薄膜正是触摸屏的“神经系统”。当手指触摸屏幕时,会改变触摸点局部的电容或电阻,传感器通过侦测ITO导电网络上这些微弱的电信号变化,就能精确计算出触摸的位置,从而实现人机交互。
在追求清洁能源的时代,铟还在光伏领域扮演着革新者的角色。CIGS薄膜太阳能电池,由铜、铟、镓、硒四种元素构成,是第二代薄膜电池的杰出代表,其能源转换效率已达到23.64%,创下同类太阳能电池能效新纪录。
铟的战略价值远不止于民用消费电子产品。由于铟原子核具有非常大的中子俘获截面,它还是核反应堆中控制棒的理想材料。此外,铟与锡等金属制成的合金,具有熔点低、润湿性好、热疲劳抗性强等优点,被广泛应用于航空航天、军工电子等高技术领域。
在更前沿的科技领域,铟正在以新的化合物形态,开辟全新的战场。中国科学家团队通过创新的“低、宽势垒”结构设计,成功研制出高效且稳定的绿色磷化铟量子点发光二极管,扫清了无镉量子点显示技术产业化的最大障碍,预示着基于铟的显示技术将迈入一个全新的纪元。
而6G(第六代移动通信技术)的核心频段之一是太赫兹(频谱上从0.1 THz至10 THz这段区域),恰好处在电子学与光子学的过渡区,比5G的毫米波频率高出1~2个数量级。在如此高的频率下,传统的硅基半导体材料性能会急剧下降,难以胜任。此时,具有卓越的电子迁移率和高频特性的磷化铟将再次挺身而出。磷化铟基的晶体管和器件能在太赫兹频段保持高功率和高效率。
铟已获得广泛应用,但极度稀缺。根据最新的综合评估,全球可经济开采的铟储量估计仅为5万吨。而在这极其有限的资源中,中国的储量最为丰富,保有储量约1.3万吨。
展望未来,谁能掌握铟基新材料的研发与应用,谁能建立起稳定、自主的铟资源供应链,谁就将在下一轮的科技竞赛中占据更有利的位置。
(本文获2025年地球科学科普作品大赛一等奖,略有修改。 杨忠虎 中国地质调查局军民融合地质调查中心)