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ELEMENTS OF A SMARTPHONE

Introduzione

Degli 83 elementi stabili (non radioattivi), almeno 70 si trovano negli smartphone.

Negli smartphone sono presenti, sia pure in minima quantit, elementi delle terre rare ovvero elementi che hanno numero atomico da 57 a 71 (15 elementi detti lantanidi, sono quelli che terminana con l'orbitale 4f) che consentono la visualizzazione dei colori. A tali elementi, detti lantanidi si aggiungono la scandio e littrio che hanno propriet simili.

I vari smartphone contengono 16 di questi 17 elementi e solo il promezio (Pm) non presente in quanto radioattivo.

Oltre a consentire la visualizzazione dei colori i metalli delle terre rare, denominati dall U.S. Department of Energy metalli tecnologici, sono utilizzati nei circuiti e nei dispositivi acustici: lo smartphone non sarebbe in grado di vibrare se non fossero presenti neodimio (Nd) e disprosio (Dy).

A causa della limitata diffusione di tali elementi uno dei prossimi obiettivi della chimica quello di trovare sostanze adatte a sostituirli.

Tratta dal sito Chimicamo

Schermo (parte prima)

Lo schermo costituito da materiale alcalino-alluminosilicato detto Gorilla Glass progettato specificamente per essere sottile, leggero e resistente a urti e graffi. E un vetro temprato ottenuto tramite un processo chimico in cui, sotto compressione avviene uno scambio ionico degli ioni Na+ con gli ioni K+ che hanno maggiori dimensioni. Il vetro viene posto in un bagno fuso di KNO3 a 400C, temperatura alla quale gli ioni potassio sostituiscono gli ioni sodio originariamente presenti nel vetro. Poich gli ioni potassio hanno una maggiore reattivit rispetto allo ione sodio li sostituiscono; essi occupano uno spazio maggiore e creano una compressione con immagazzinamento di energia potenziale elastica. Quando il vetro si raffredda creano un elevato livello di sollecitazione di compressione sulla superficie. Linvenzione del Gorilla Glass risale al 1960 ma era stato utilizzato nelle auto da corsa; nel 2006 Steve Jobs contatt lazienda produttrice e adott questo tipo di vetro negli iPhone della Apple.

Il touchscreen utilizzato negli smartphone di tipo capacitivo (sfrutta la capacit elettrica vedi voce schemo capacitivo in wiki) sebbene un altro tipo di touchscreen di tipo resistivo (sfrutta la resistenza elettrica) sia stato usato nei telefoni cellulari di prima generazione.Il funzionamento dei touchscreen capacitivi si basa sulla trasmissione del calore generata attraverso linterazione dellutente con il dispositivo: sono detti capacitivi perch sono basati su dispositivi elettrici chiamati condensatori o capacitori, che hanno il compito di rilevare il livello della temperatura nellinterazione.

Schermo (parte seconda)

Il vetro, anche se contiene ioni, un isolante quindi deve essere ricoperto di una sostanza trasparente di tipo conduttivo abitualmente costituita da ossido di indio e stagno: lossido viene disposto in strisce sottili in modo da formare una griglia che agisce da capacitore.

Questa griglia conduttiva agisce da capacitore che immagazzina energia; quando lo schermo viene toccato, una piccolissima quantit di carica elettrica entra nel dito e viene cos registrata una caduta di tensione e il posto dello schermo dove avvenuto il contatto viene elaborato da un software che ordina lazione da compiere.

La minima corrente elettrica entra nel dito in quanto la pelle, contenendo sali e umidit forma una soluzione elettrolitica. Il corpo diventa quindi parte del circuito quando sfiora lo schermo. Gli elementi chimici presenti nello schermo sono fondamentalmente indio, stagno e ossigeno, alluminio, silicio e potassio, ittrio (Y - Z=39), terbio (Tb - Z=65), lantanio La - Z=57), praseodimio (Pr - Z=59) europio (Eu - Z=63), disprosio (Dy - Z=66) e gadolinio (Gd - Z=64).

Elettronica

Una vasta gamma di elementi e composti sono presenti nella parte elettronica.Il processore realizzato in silicio la cui superficie a contatto con lossigeno dellaria si ricopre di biossido di silicio. Il silicio non conduce elettricit per cui deve essere drogato con altri elementi come fosforo, antimonio, arsenico che hanno cinque elettroni di valenza e danno un drogaggio di tipo n o di elementi come boro, indio e gallio che hanno tre elettroni di valenza e danno un drogaggio di tipo p.

I componenti elettrici sono realizzati in rame, oro, argento e tantalio e nelle saldature viene usata una combinazione di stagno, argento e rame. Microfono e altoparlante sono costituiti da leghe di neodimio, ferro e boro e a volte anche disprosio e praseodimio. Questi si trovano anche sistema di vibrazione del telefono.

Batteria

La maggior parte degli smartphone utilizza batterie al litio in cui lelettrodo positivo costituito da ossido di litio e cobalto anche se altri metalli di transizione sono usati al posto del cobalto mentre lelettrodo negativo costituito da carbonio sotto forma di grafite. Le batterie sono abitualmente alloggiate in un involucro di alluminio.

SCREEN

In = indioSn = stagnoO = ossigeno

La pellicola conduttiva trasparente (PCT) un materiale utilizzato per applicazione fotovoltaiche e possono essere di tipo sia inorganico che organico. Le pellicole inorganiche sono tipicamente costituite da uno strato di ossido trasparente conduttivo (OTC oppure TCO dall'acronimo inglese di transparent conductive oxide), tra cui i pi usati sono l'ossido di indio-stagno (ITO), ossido di stagno dopato al fluoro (FTO), e ossido di zinco dopato. Le pellicole organiche vengono sviluppate principalmente utilizzando reti formate da nanotubi di carbonio e grafene, insieme con una rete di polimeri come il poli(3,4-etilenediossitiofene) e suoi derivati. Le pellicole trasparenti conduttive fungono da finestra per la luce, per raggiungere il materiale attivo sottostante (dove la carica generata) e come contatto ohmico per l'uscita della carica dal sistema fotovoltaico. I materiali trasparenti possiedono bande proibite con energia corrispondente alle lunghezza d'onda inferiori dello spettro visibile (380 nm-750 nm). In tal modo i fotoni con energia inferiore a questa differenza di banda non sono assorbiti da questi materiali e sono attraversati dalla luce visibile.

ITO: Indium tin oxide

E' una soluzione solida di ossido di indio (III) (In2O3) e ossido di stagno (IV) (SnO2), tipicamente in percentuale in peso intorno al 90% In2O3 e 10% SnO2. il pi impiegato ossido trasparente conduttivo per la fabbricazione di pellicole conduttive trasparenti (PCT). trasparente alla luce e incolore in forma di sottile pellicola, mentre in grandi quantit presenta un colore dal giallo pallido al verde dipendente dalla concentrazione di drogante. Ha propriet di riflettere radiazioni nella regione dell'infrarosso come un normale metallo. La caratteristica principale dell'ossido di indio-stagno la combinazione di buona conducibilit elettrica e trasparenza ottica.

ITO: Indium tin oxide

E' essenzialmente formato da un drogaggio sostitutivo di atomi In+3 dalla struttura cubica tipo bixbyite nell' In2O3, con atomi di stagno. Lo stagno forma cos un legame interstiziale con l'ossigeno ed esiste sia sotto forma di SnO che SnO2, presentando quindi rispettivamente una valenza +2 e +4. Questo stato di valenza ha una diretta connessione con la conduttivit finale dell'ITO. Lo stato di valenza pi basso risulta in una netta riduzione nella concentrazione di portatori di carica, poich un buco creato nella struttura ed esso si comporta come una trappola e riduce la conducibilit. Dall'altro lato una predominanza dello stato SnO2 si comporta come un donatore di tipo n (n sta per negativo) fornendo elettroni alla banda conduttiva. Comunque nell'ossido di indio-stagno sia lo stagno sostitutivo che la lacuna di ossigeno contribuisce all'alta conduttivit e il materiale potrebbe essere rappresentato come In2-xSnxO3-2x. Pellicole di ITO hanno un parametro di reticolo vicino all'In2O3 tra 10,12 e 10,31 .

Schematic drawing of an organic light-emitting diode. Al: Aluminium. ITO: Indium tin oxide.

ITO: Indium tin oxide

L'alta trasmittanza ottica delle pellicole di ITO la diretta conseguenza dell'essere un semiconduttore con una largo divario di banda, generalmente maggiore di 3,75 eV. La fondamentale soglia di assorbimento normalmente giace nella finestra solare dell'ultravioletto e si sposta a pi basse lunghezze d'onda con l'aumento della concentrazione di portatori di carica. Quindi un compromesso va trovato nella deposizione, siccome l'alta concentrazione di portatori di carica aumenta la conduttivit, ma diminuisce la sua trasparenza. Per questo anche la scelta della tecnica di deposizione pu cambiare i parametri fisici del materiale.Sottili strati di ossido di indio-stagno sono comunemente depositati su varie superfici tramite evaporazione al raggio elettronico, deposizione fisica da vapore, rivestimento per immersione, rivestimento per rotazione o varie tecniche di deposizioni a spruzzo.

Che cos' lo sputtering

Lo sputtering una tecnica utilizzata per depositare strati sottili di materiale su una superficie, viene realizzato sotto vuoto , a pressioni inferiori ad 1 mBar. Nello sputtering un plasma erode un pezzo del materiale che vogliamo depositare che viene detto target. Il target posto a potenziale negativo (300-800 V)e per questo motivo attrae gli atomi caricati positivamente del plasma che si scontrano sul materiale cedendo la loro energia agli atomi del target spruzzando (sputterando) fuori da esso degli atomi del materiale che per inerzia si andranno a scontrare sulla la superficie formando uno strato micro sottile di circa 1 micron al minuto. Tutto questo si fa preferibilmente sottovuoto o in presenza di argon. Il plasma fondamentale per lo sputtering e in base alla sua quantit si riesce a sputterare pi o meno velocemente, per questo stata inventata una tecnica per velocizzare il processo con lutilizzo di una struttura magnetica detta magnetron.

Che cos' lo sputtering

Per fare lo sputtering c bisogno di: 1) una camera da vuoto che sopporti una pressione di 10^-6 mBar, perch laria disturba il processo; 2) di un magnetron il pi vicino possibile al target; di un generatore di corrente continua che eroghi da 100 W a 1KW; 3) di due pompe,una rotativa e una a turbina; 4) di eventuali fornetti riscaldanti che arrivino ad una temperatura al massimo della met della temperatura di fusione. Lo sputtering viene utilizzato per creare dei film sottili, dello spessore di alcune decine di micron. Il plasma aderisce molto bene alla superficie del target. Questa tecnica viene adoperata per fare: CD, display dei cellulari, pannelli solari, materiali superconduttori, e anche per rendere dei materiali pi duri sputterando per esempio del titanio.

GLASS

Al = alluminioSi = silicioK = potassioO = ossigeno

Il Gorilla Glass un vetro prodotto dall'impresa Corning, realizzato di un materiale alcalino-alluminosilicato progettato specificamente per essere sottile, leggero e resistente. essenzialmente prodotto per essere utilizzato su schermi dei dispositivi elettronici portatili come ad esempio telefoni cellulari, lettori multimediali portatili e schermi per pc portatili. Le caratteristiche peculiari del Gorilla Glass sono la sua forza, la resistenza ai graffi il tutto associato ad un piccolo spessore del vetro. Il Gorilla Glass compatibile con la tecnologia RF e permette di avere una grande chiarezza ottica; questo lo rende adatto per schermi in alta definizione e televisivi 3D. Il Gorilla Glass ha permesso alla Corning di guadagnare circa 700 milioni di dollari nel 2011, e viene utilizzato in quasi 600 milioni di dispositivi diversi dalle tavolette agli ultrabook.

Glass rare elements

Lantanio: utilizzato nelle lenti ottiche di alta qualit, nelle lenti fotografiche e in quelle dei telscopi. Assorbe l'infrarosso.

Ittrio: composti chiamati FOSFORI a base di ittrio e di europio danno il colore rosso

Terbio: d composti che favoriscono la luminescenza degli schermi

Praseodimio: alcuni suoi composti si usano per conferire ai vetri il colore giallo. Si usa per I vetri al Didimio.

Y La Tb Pr Didimo: una miscela di neodimio e praseodimio che filtra la luce gialla senza diminuire la luminescenza.

Glass rare elements

Disprosio: insieme al neodimio presente nell'unit vibrante dei cellulari

Gadolinio: anche'esso viene utilizzato per I fosfori dei telvisiori a colori.

Europio: usato nel drogaggio dei materiali vetrosi e nei fosfori rossi nei tubi delle televisioni a colori.

Eu Gd Dy