Metallprofil: Gallium
Det mindre metallet som hjelper LED-lys til å skinne sterkt
serts/Collection:iStock/Getty Images Plus
Gallium er et etsende, sølvfarget mindre metall som smelter nær romtemperatur og brukes oftest i produksjon av halvlederforbindelser.
Eiendommer:
- Atomsymbol: Ga
- Atomnummer: 31
- Elementkategori: Metall etter overgang
- Tetthet: 5,91 g/cm³ (ved 73°F / 23°C)
- Smeltepunkt: 85,58 °F (29,76 °C)
- Kokepunkt: 3999 °F (2204 °C)
- Mohs hardhet: 1,5
Kjennetegn:
Rent gallium er sølvhvitt og smelter ved temperaturer under 85 °F (29,4 °C). Metallet forblir i smeltet tilstand opp til nesten 4000°F (2204°C), noe som gir det det største flytende området av alle metallelementer.
Gallium er et av få metaller som ekspanderer når det avkjøles, og øker i volum med litt over 3 %.
Selv om gallium lett legeres med andre metaller, er det detetsende, diffunderer inn i gitteret til og svekker de fleste metaller. Det lave smeltepunktet gjør det imidlertid nyttig i visse lavsmeltende legeringer.
I motsetning til kvikksølv , som også er flytende ved romtemperatur, våter gallium både hud og glass, noe som gjør det vanskeligere å håndtere. Gallium er ikke på langt nær så giftig som kvikksølv.
Historie:
Gallium ble oppdaget i 1875 av Paul-Emile Lecoq de Boisbaudran mens han undersøkte sfalerittmalm, og ble ikke brukt i noen kommersielle applikasjoner før siste del av 1900-tallet.
Gallium er til liten nytte som et strukturelt metall, men verdien i mange moderne elektroniske enheter kan ikke undervurderes.
Kommersiell bruk av gallium utviklet seg fra den innledende forskningen på lysemitterende dioder (LED) og III-V radiofrekvens (RF) halvlederteknologi, som begynte på begynnelsen av 1950-tallet.
I 1962 førte IBM-fysiker J.B. Gunns forskning på galliumarsenid (GaAs) til oppdagelsen av høyfrekvent oscillasjon av den elektriske strømmen som flyter gjennom visse halvledende faste stoffer - nå kjent som 'Gunn-effekten.' Dette gjennombruddet banet vei for tidlige militærdetektorer som ble konstruert ved hjelp av Gunn-dioder (også kjent som overføringselektronenheter) som siden har blitt brukt i ulike automatiserte enheter, fra bilradardetektorer og signalkontrollere til fuktighetsinnholdsdetektorer og innbruddsalarmer.
De første lysdiodene og laserne basert på GaAs ble produsert på begynnelsen av 1960-tallet av forskere ved RCA, GE og IBM.
Opprinnelig var LED bare i stand til å produsere usynlige infrarøde lysbølger, noe som begrenset lysene til sensorer og fotoelektroniske applikasjoner. Men deres potensiale som energieffektive kompakte lyskilder var tydelig.
På begynnelsen av 1960-tallet begynte Texas Instruments å tilby lysdioder kommersielt. På 1970-tallet ble tidlige digitale skjermsystemer, brukt i klokker og kalkulatorskjermer, snart utviklet ved bruk av LED-bakgrunnsbelysningssystemer.
Ytterligere forskning på 1970- og 1980-tallet resulterte i mer effektive deponeringsteknikker, noe som gjorde LED-teknologien mer pålitelig og kostnadseffektiv. Utviklingen av gallium-aluminium-arsen (GaAlAs) halvlederforbindelser resulterte i lysdioder som var ti ganger lysere enn tidligere, mens fargespekteret tilgjengelig for LED s også avansert basert på nye, galliumholdige halvledende substrater, som indium-gallium-nitrid (InGaN), gallium-arsenid-fosfid (GaAsP) og gallium-fosfid (GaP).
På slutten av 1960-tallet ble GaAs ledende egenskaper også undersøkt som en del av solenergikilder for romutforskning. I 1970 opprettet et sovjetisk forskerteam de første GaAs heterostruktursolcellene.
Kritisk for produksjonen av optoelektroniske enheter og integrerte kretser (ICs), økte etterspørselen etter GaAs-wafere på slutten av 1990-tallet og begynnelsen av det 21. århundre i sammenheng med utviklingen av mobilkommunikasjon og alternative energiteknologier.
Ikke overraskende, som svar på denne økende etterspørselen, mellom 2000 og 2011 ble den globale primære galliumproduksjonen mer enn doblet fra omtrent 100 metriske tonn (MT) per år til over 300MT.
Produksjon:
Gjennomsnittlig galliuminnhold i jordskorpen er beregnet til å være rundt 15 deler per million, omtrent lik litium og mer vanlig enn lede . Metallet er imidlertid vidt spredt og tilstede i få økonomisk ekstraherbare malmlegemer.
Så mye som 90 % av alt primært gallium som produseres, utvinnes i dag fra bauxitt under raffinering av alumina (Al2O3), en forløper til aluminium . En liten mengde gallium produseres som et biprodukt av sink utvinning under raffinering av sfalerittmalm.
Under Bayer-prosessen med å raffinere aluminiummalm til alumina, vaskes knust malm med en varm løsning av natriumhydroksid (NaOH). Dette omdanner alumina til natriumaluminat, som legger seg i tanker mens natriumhydroksidvæsken som nå inneholder gallium samles opp for gjenbruk.
Fordi denne brennevinen resirkuleres, øker galliuminnholdet etter hver syklus til det når et nivå på ca. 100-125 ppm. Blandingen kan deretter tas og konsentreres som gallat via løsningsmiddelekstraksjon ved bruk av organiske chelateringsmidler.
I et elektrolysebad ved temperaturer på 104-140°F (40-60°C), omdannes natriumgallat til urent gallium. Etter vasking i syre kan dette filtreres gjennom porøse keramiske eller glassplater for å lage 99,9-99,99 % galliummetall.
99,99 % er standard forløperkvalitet for GaAs-applikasjoner, men nye bruksområder krever høyere renhet som kan oppnås ved å varme opp metallet under vakuum for å fjerne flyktige elementer eller elektrokjemiske rense- og fraksjonerte krystalliseringsmetoder.
I løpet av det siste tiåret har mye av verdens primære galliumproduksjon flyttet til Kina som nå leverer rundt 70 % av verdens gallium. Andre primærproduserende nasjoner inkluderer Ukraina og Kasakhstan.
Omtrent 30 % av den årlige produksjonen av gallium utvinnes fra skrap og resirkulerbare materialer som GaAs-holdige IC-skiver. Mest gjenvinning av gallium skjer i Japan, Nord-Amerika og Europa.
De US Geological Survey anslår at 310 MT raffinert gallium ble produsert i 2011.
Verdens største produsenter inkluderer Zhuhai Fangyuan, Beijing Jiya Semiconductor Materials og Recapture Metals Ltd.
Applikasjoner:
Når legert gallium har en tendens til å korrodere eller lage metaller som stål skjør. Denne egenskapen, sammen med dens ekstremt lave smeltetemperatur, betyr at gallium er til liten bruk i strukturelle applikasjoner.
I sin metalliske form brukes gallium i loddemetaller og lavsmeltende legeringer, som f.eks Denne oppføringen , men det finnes oftest i halvledermaterialer.
Galliums hovedapplikasjoner kan kategoriseres i fem grupper:
1. Halvledere: GaAs-wafere står for omtrent 70 % av det årlige galliumforbruket, og er ryggraden i mange moderne elektroniske enheter, som smarttelefoner og andre trådløse kommunikasjonsenheter som er avhengige av strømsparings- og forsterkningsevnen til GaAs IC-er.
2. Lysdioder (LED): Siden 2010 har den globale etterspørselen etter gallium fra LED-sektoren etter sigende doblet seg på grunn av bruken av lysdioder med høy lysstyrke i mobil- og flatskjermer. Den globale utviklingen mot større energieffektivitet har også ført til statlig støtte til bruk av LED-belysning fremfor gløde- og kompaktlysrør.
3. Solenergi: Galliums bruk i solenergiapplikasjoner er fokusert på to teknologier:
- GaAs konsentrator solceller
- Kadmium-indium-gallium-selenid (CIGS) tynnfilmsolceller
Som svært effektive fotovoltaiske celler har begge teknologiene hatt suksess i spesialiserte applikasjoner, spesielt relatert til romfart og militær, men står fortsatt overfor barrierer for storskala kommersiell bruk.
4. Magnetiske materialer: Høy styrke, permanent magneter er en nøkkelkomponent i datamaskiner, hybridbiler, vindturbiner og diverse annet elektronisk og automatisert utstyr. Små tilsetninger av gallium brukes i noen permanente magneter, inkludert neodym- jern - bor (NdFeB) magneter.
5. Andre bruksområder:
- Spesiallegeringer og loddemetaller
- Fuktende speil
- Med plutonium som atomstabilisator
- Nikkel - mangan -Gallium form minne legering
- Petroleumskatalysator
- Biomedisinske bruksområder, inkludert legemidler (galliumnitrat)
- Fosforer
- Nøytrino-deteksjon
Kilder:
Softpedia. Historie om lysdioder (lysemitterende dioder).
Anthony John Downs, (1993), 'Kjemi av aluminium, gallium, indium og tallium.' Springer, ISBN 978-0-7514-0103-5
Barratt, Curtis A. 'III-V Semiconductors, a History in RF Applications.' ECS Trans . 2009, bind 19, utgave 3, side 79-84.
Schubert, E. Fred. Lysemitterende dioder . Rensselaer Polytechnic Institute, New York. mai 2003.
USGS. Mineralvaresammendrag: Gallium.
Kilde: http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/gallium/index.html
SM-rapport. Biproduktmetaller: Forholdet mellom aluminium og gallium .