Metāla profils: Gallium un LED gaismas

Gallijs ir kodīgs, sudraba krāsas mazs metāls, kas kūst istabas temperatūras tuvumā un visbiežāk tiek izmantots pusvadītāju savienojumu ražošanā.

• Atomu simbols: Ga
• Atomu skaitlis: 31
• Elementa kategorija: Pēc pārejas metāls
• Blīvums: 5,91 g / cm³ (pie 23 ° C)
• Kušanas temperatūra: 29,76 ° C (85,58 ° F)
• Viršanas punkts: 3999 ° F (2204 ° C)
• Moha cietība: 1.5

Tīrs gallijs ir sudrabaini balts un kūst temperatūrā līdz 29,4 ° C (85 ° F). Metāls paliek izkusis līdz gandrīz 4000 ° F (2204 ° C), tādējādi nodrošinot vislielāko šķidruma diapazonu no visiem metāla elementiem.

Gallijs ir viens no nedaudzajiem metāliem, kas paplašinās, atdziestot, palielinoties par nedaudz vairāk kā 3%.

Kaut arī gallijs viegli sakausē ar citiem metāliem, tas ir kodīgs, izkliedējot lielāko daļu metālu režģī un vājinot to. Tā zemā kušanas temperatūra tomēr padara to noderīgu dažos sakausējumos ar zemu kušanas temperatūru.

Pretstatā dzīvsudrabs, kas istabas temperatūrā ir arī šķidrs, gallijs mitrina gan ādu, gan stiklu, padarot to grūtāk apstrādājamu. Gallijs ne tuvu nav tik toksisks kā dzīvsudrabs.

Pārbaudot sphalerīta rūdas, 1875. gadā to atklāja Pols-Emīls Lekoks de Boisbaudrāns, galliju komerciālos nolūkos neizmantoja līdz 20. gadsimta otrajai daļai.

Gallijs kā metāla konstrukcija ir maz izmantojams, taču daudzās mūsdienu elektroniskajās ierīcēs tā vērtību nevar novērtēt par zemu.

Galija komerciālai izmantošanai tika izstrādāti sākotnējie pētījumi par gaismas diodēm (LED) un III-V radio frekvences (RF) pusvadītāju tehnoloģiju, kas sākās pagājušā gadsimta 50. gadu sākumā.

1962. gadā IBM fiziķa J. B. Gunna pētījumi par gallija arsenīdu (GaAs) ļāva atklāt elektriskās strāvas, kas plūst caur noteiktām frekvencēm, augstfrekvences svārstības. pusvadošas cietas vielas - tagad pazīstamas kā “Gunn Effect”. Šis atklājums pavēra ceļu agrīnu militāro detektoru būvēšanai, izmantojot Gunn diodes (pazīstamas arī kā elektronu pārsūtīšanas ierīces), kas kopš tā laika ir izmantoti dažādās automatizētās ierīcēs, sākot ar automašīnu radaru detektoriem un signālu kontrolieriem līdz mitruma satura detektoriem un apsardzes ierīcēm trauksmes.

Pirmās gaismas diodes un lāzeri, kuru pamatā ir GaAs, 60. gadu sākumā ražoja RCA, GE un IBM pētnieki.

Sākotnēji gaismas diodes spēja radīt tikai neredzamus infrasarkanos gaismas starus, ierobežojot apgaismojumu ar sensoriem un fotoelektroniskas lietojumprogrammas. Bet to kā energoefektīvu kompaktu gaismas avotu potenciāls bija acīmredzams.

Līdz 1960. gadu sākumam Texas Instruments sāka komerciāli piedāvāt gaismas diodes. Līdz 70. gadiem agrīnās digitālās displeju sistēmas, ko izmantoja pulksteņu un kalkulatoru displejos, drīz tika izstrādātas, izmantojot LED fona apgaismojuma sistēmas.

Turpmāki pētījumi 1970. un 1980. gados ļāva iegūt efektīvākas nogulsnēšanas metodes, padarot LED tehnoloģijas uzticamākas un rentablākas. Attīstot gallija-alumīnija-arsēna (GaAlAs) pusvadītāju savienojumus, gaismas diodes bija desmit reizes spilgtākas nekā iepriekšējās, savukārt krāsu spektrs, kas pieejams LEDTas ir arī uzlabots, pamatojoties uz jauniem, galliju saturošiem pusvadošiem substrātiem, piemēram, indija-gallija-nitrīdu (InGaN), gallija-arsenīda-fosfīdu (GaAsP) un gallija-fosfīdu (GaP).

Līdz 1960. gadu beigām GaAs vadošās īpašības tika pētītas arī kā saules enerģijas avoti kosmosa izpētē. 1970. gadā padomju pētījumu grupa izveidoja pirmos GaAs heterostruktūras saules elementus.

Kritisks optoelektronisko ierīču un integrālo shēmu (IC) ražošanai, pieprasījums pēc GaAs vafelēm pieauga vēlu 1990. gadi un 21. gadsimta sākums saistībā ar mobilā sakaru un alternatīvās enerģijas attīstību tehnoloģijas.

Nav pārsteidzoši, ka, reaģējot uz augošo pieprasījumu, laikā no 2000. līdz 2011. gadam primārā gallija ražošana pasaulē bija vairāk nekā divkārša - no aptuveni 100 tonnām (MT) gadā līdz vairāk nekā 300 MT.

Tiek lēsts, ka vidējais gallija saturs zemes garozā ir apmēram 15 daļas uz miljonu, aptuveni līdzīgs litijam un vairāk izplatīts nekā svinu. Tomēr metāls ir plaši izkliedēts un sastopams dažās ekonomiski ekstrahējamās rūdu daļās.

Patlaban 90% no visa saražotā primārā gallija tiek iegūti no boksīta, rafinējot alumīnija oksīdu (Al2O3), kas ir alumīnijs. Neliels daudzums gallija tiek ražots kā blakusprodukts cinks ekstrahēšana sferīta rūdas rafinēšanas laikā.

Bayer procesa laikā, pārstrādājot alumīnija rūdu līdz alumīnija oksīdam, sasmalcinātu rūdu mazgā ar karstu nātrija hidroksīda (NaOH) šķīdumu. Tas pārvērš alumīnija oksīdu par nātrija aluminātu, kas nogulsnējas tvertnēs, bet nātrija hidroksīda šķidrums, kas tagad satur galliju, tiek savākts atkārtotai izmantošanai.

Tā kā šis šķidrums tiek pārstrādāts, gallija saturs pēc katra cikla palielinās, līdz tas sasniedz līmeni 100-125ppm. Pēc tam maisījumu var koncentrēt kā galātu, ekstrahējot ar šķīdinātāju, izmantojot organiskos helātus.

Elektrolītiskā vannā temperatūrā no 104 līdz 140 ° F (40–60 ° C) nātrija galāts tiek pārveidots par netīru galliju. Pēc mazgāšanas skābē to var filtrēt caur porainām keramikas vai stikla plāksnēm, lai izveidotu 99,9-99,99% gallija metāla.

99,99% ir standarta priekšgājēja pakāpe GaAs lietojumprogrammām, bet jauniem lietojumiem nepieciešama augstāka tīrība, ko var sasniegt ar metāla karsēšana vakuumā, lai noņemtu gaistošos elementus, vai elektroķīmiskā attīrīšana un frakcionēta kristalizācija metodes.

Pēdējās desmit gadu laikā liela daļa pasaules primārā gallija ražošanas ir pārvietota uz Ķīnu, kas tagad piegādā apmēram 70% no pasaules gallija. Citas primārās ražošanas valstis ir Ukraina un Kazahstāna.

Apmēram 30% no gada gallija ražošanas tiek iegūti no lūžņiem un otrreiz pārstrādājamiem materiāliem, piemēram, GaAs saturošiem IC vafeļiem. Lielākā daļa galija pārstrādes notiek Japānā, Ziemeļamerikā un Eiropā.

ASV Ģeoloģijas dienests lēš, ka 2011. gadā tika saražots 310MT rafinēta gallija.

Starp pasaules lielākajiem ražotājiem ietilpst Zhuhai Fangyuan, Pekinas Jiya Semiconductor Materials un Recapture Metals Ltd.

Kad leģēts gallijs mēdz korozēt vai padarīt metālus tādus kā tērauda trausls. Šī īpašība kopā ar īpaši zemo kušanas temperatūru nozīmē, ka gallijs ir maz noderīgs strukturālos pielietojumos.

Metāliskajā formā galliju izmanto lodmetālos un sakausējumos ar zemu kausējuma līmeni, piemēram, Galinstānā®, bet tas visbiežāk atrodams pusvadītāju materiālos.

Gallium galvenos lietojumus var iedalīt piecās grupās:

1. Pusvadītāji: GaAs vafeles, kas veido apmēram 70% no ikgadējā gallija patēriņa, ir daudzu mūsdienu elektronisko ierīču pamats. ierīces, piemēram, viedtālruņus un citas bezvadu sakaru ierīces, kuras paļaujas uz enerģijas taupīšanas un pastiprināšanas iespējām GaAs IC.

2. Gaismas diodes (LED): Kopš 2010. gada ziņots, ka kopējais LED nozares globālais pieprasījums pēc gallija ir divkāršojies, pateicoties augstas spilgtuma gaismas diožu izmantošanai mobilajos un plakanā ekrāna displejos. Globālā virzība uz lielāku energoefektivitāti ir izraisījusi arī valdības atbalstu LED apgaismojuma izmantošanai kvēlspuldzēs un kompaktajā dienasgaismas apgaismojumā.

3. Saules enerģija: Gallium izmantošana saules enerģijas lietojumos ir vērsta uz divām tehnoloģijām:

• GaAs koncentrāta saules baterijas
• Kadmija-indija-gallija-selenīda (CIGS) plānas plēves saules baterijas

Kā ļoti efektīvas fotoelektriskās šūnas abas tehnoloģijas ir guvušas panākumus specializētās lietojumprogrammas, jo īpaši saistītas ar kosmisko aviāciju un militāro jomu, bet joprojām saskaras ar šķēršļiem liela mēroga komerciālai izmantošanai.

4. Magnētiski materiāli: Augsta izturība, pastāvīga magnēti ir datoru, hibrīdu automašīnu, vēja turbīnu un dažādu citu elektronisku un automatizētu iekārtu galvenā sastāvdaļa. Dažos pastāvīgajos magnētos, ieskaitot neodīmu, tiek izmantoti nelieli galija piedevasdzelzs-bora (NdFeB) magnēti.

5. Citas programmas:

• Īpaši sakausējumi un lodmetāli
• Mitrinošie spoguļi
• Ar plutoniju kā kodolstabilizatoru
• Niķelis-mangāns-gallija formas atmiņas sakausējums
• Naftas katalizators
• Biomedicīnas lietojumi, ieskaitot medikamentus (gallija nitrāts)
• Fosforas
• Neitrīno noteikšana

_Avoti:

_{Softpedia. Gaismas diožu (gaismas diodes) vēsture.}

_{Avots: https://web.archive.org/web/20130325193932/http://gadgets.softpedia.com/news/History-of-LEDs-Light-Emitting-Diodes-1487-01.html}

_{Entonijs Džons Downs, (1993), "Alumīnija, gallija, indija un tallija ķīmija." Springer, ISBN 978-0-7514-0103-5}

_{Bārsts, Kurts A. "III-V pusvadītāji, RF pielietojuma vēsture." ECS Trans. 2009. gads, 19. sējums, 3. izdevums, 79. – 84.}

_{Šūberts, Ē. Freds. Gaismas diodes. Rensselaer Politehniskais institūts, Ņujorka. 2003. gada maijs.}

_{USGS. Minerālpreču kopsavilkumi: Gallium.}

_{Avots: http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/gallium/index.html}

_{SM ziņojums. Blakusproduktu metāli: Alumīnija un gallija attiecības.}

_{URL: www.strategic-metal.typepad.com}