Metāla profils: gallijs
Neliels metāls, kas palīdz LED gaismām spīdēt spilgti
Serts/Kolekcija:iStock/Getty Images Plus
Gallijs ir kodīgs, sudraba krāsas mazsvarīgs metāls, kas kūst tuvu istabas temperatūrai un visbiežāk tiek izmantots pusvadītāju savienojumu ražošanā.
Īpašības:
- Atomu simbols: Ga
- Atomskaitlis: 31
- Elementa kategorija: Pēcpārejas metāls
- Blīvums: 5,91 g/cm³ (pie 73°F/23°C)
- Kušanas temperatūra: 85,58 °F (29,76 °C)
- Vārīšanās temperatūra: 3999 °F (2204 °C)
- Moha cietība: 1,5
Raksturlielumi:
Tīrs gallijs ir sudrabaini balts un kūst temperatūrā, kas zemāka par 85 ° F (29,4 ° C). Metāls paliek kausētā stāvoklī līdz gandrīz 4000 ° F (2204 ° C), nodrošinot tam lielāko šķidruma diapazonu no visiem metāla elementiem.
Gallijs ir viens no nedaudzajiem metāliem, kas, atdziestot, izplešas, palielinot apjomu par nedaudz vairāk par 3%.
Lai gan gallijs viegli sakausējas ar citiem metāliem, tas tā irkodīgs, izkliedējas režģī un vājina lielāko daļu metālu. Tomēr tā zemā kušanas temperatūra padara to noderīgu noteiktos sakausējumos ar zemu kušanas temperatūru.
Pretstatā dzīvsudrabs , kas arī istabas temperatūrā ir šķidrs, gallijs mitrina gan ādu, gan stiklu, padarot to apgrūtinātu. Gallijs nav ne tuvu tik toksisks kā dzīvsudrabs.
Vēsture:
Gallijs, ko 1875. gadā atklāja Pols Emīls Lekoks de Boisbaudrans, pētot sfalerīta rūdas, netika izmantots komerciālos lietojumos līdz 20. gadsimta beigām.
Gallijs ir maz izmantojams kā strukturāls metāls, taču tā vērtību daudzās mūsdienu elektroniskajās ierīcēs nevar novērtēt par zemu.
Gallija komerciālā izmantošana attīstījās no sākotnējiem pētījumiem par gaismas diožu (LED) un III-V radiofrekvenču (RF) pusvadītāju tehnoloģiju, kas sākās 1950. gadu sākumā.
1962. gadā IBM fiziķa Dž.B.Guna pētījumi par gallija arsenīdu (GaAs) atklāja augstfrekvences svārstības elektriskajā strāvā, kas plūst caur noteiktām pusvadītājām cietām vielām, kas tagad zināmas kā 'Guna efekts'. Šis sasniegums pavēra ceļu agrīniem militāriem detektoriem, kas tika konstruēti, izmantojot Gunn diodes (pazīstamas arī kā pārneses elektronu ierīces), kuras kopš tā laika ir izmantotas dažādās automatizētās ierīcēs, sākot no automašīnu radaru detektoriem un signālu kontrolieriem līdz mitruma satura detektoriem un ielaušanās signalizācijai.
Pirmos gaismas diodes un lāzerus, kuru pamatā ir GaA, 1960. gadu sākumā ražoja RCA, GE un IBM pētnieki.
Sākotnēji gaismas diodes spēja radīt tikai neredzamus infrasarkanos gaismas viļņus, ierobežojot apgaismojumu ar sensoriem un fotoelektroniskām lietojumprogrammām. Taču to potenciāls kā energoefektīviem kompaktiem gaismas avotiem bija acīmredzams.
Līdz 1960. gadu sākumam Texas Instruments sāka komerciāli piedāvāt gaismas diodes. Līdz 1970. gadiem agrīnās digitālās displeja sistēmas, ko izmantoja pulksteņos un kalkulatoru displejos, drīz vien tika izstrādātas, izmantojot LED fona apgaismojuma sistēmas.
Turpmākie pētījumi 1970. un 1980. gados radīja efektīvākas nogulsnēšanas metodes, padarot LED tehnoloģiju uzticamāku un rentablāku. Gallija-alumīnija-arsēna (GaAlAs) pusvadītāju savienojumu izstrādes rezultātā tika iegūtas gaismas diodes, kas bija desmit reizes spilgtākas nekā iepriekš, savukārt pieejamais krāsu spektrs LED s 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 daļa no saules enerģijas avotiem kosmosa izpētei. 1970. gadā padomju pētnieku grupa izveidoja pirmās GaAs heterostruktūras saules baterijas.
Būtiski optoelektronisko ierīču un integrālo shēmu (IC) ražošanai, pieprasījums pēc GaAs plāksnēm pieauga deviņdesmito gadu beigās un 21. gadsimta sākumā saistībā ar mobilo sakaru un alternatīvo enerģijas tehnoloģiju attīstību.
Nav pārsteidzoši, ka, reaģējot uz šo pieaugošo pieprasījumu, no 2000. līdz 2011. gadam globālā primārā gallija ražošana vairāk nekā divas reizes pieauga no aptuveni 100 metriskām tonnām (MT) gadā līdz vairāk nekā 300 MT.
Ražošana:
Tiek lēsts, ka vidējais gallija saturs zemes garozā ir aptuveni 15 daļas uz miljonu, aptuveni līdzīgs litijam un biežāk nekā svins . Tomēr metāls ir plaši izkliedēts un atrodas dažos ekonomiski ekstrahējamos rūdas ķermeņos.
Pat 90% no visa saražotā primārā gallija pašlaik tiek iegūti no boksīta, rafinējot alumīnija oksīdu (Al2O3), kas ir priekštecis alumīnija . Neliels daudzums gallija tiek ražots kā blakusprodukts cinks ieguve sfalerīta rūdas rafinēšanas laikā.
Bayer procesa laikā, kad alumīnija rūda tiek rafinēta līdz alumīnija oksīdam, sasmalcinātu rūdu mazgā ar karstu nātrija hidroksīda (NaOH) šķīdumu. Tas pārvērš alumīnija oksīdu par nātrija aluminātu, kas nogulsnējas tvertnēs, kamēr nātrija hidroksīda šķidrums, kas tagad satur galliju, tiek savākts atkārtotai izmantošanai.
Tā kā šis šķidrums tiek pārstrādāts, gallija saturs palielinās pēc katra cikla, līdz tas sasniedz aptuveni 100–125 ppm. Pēc tam maisījumu var ņemt un koncentrēt kā gallātu, ekstrahējot ar šķīdinātāju, izmantojot organiskos helātus veidojošos līdzekļus.
Elektrolītiskā vannā 40-60 °C (104–140 °F) temperatūrā nātrija gallāts 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 prekursora klase GaAs lietojumiem, taču jauniem lietojumiem ir nepieciešama augstāka tīrība, ko var sasniegt, karsējot metālu vakuumā, lai noņemtu gaistošos elementus, vai elektroķīmiskās attīrīšanas un frakcionētas kristalizācijas metodes.
Pēdējo desmit gadu laikā liela daļa pasaules primārās gallija ražošanas ir pārcelta uz Ķīnu, kas tagad piegādā aptuveni 70% no pasaules gallija. Citas primārās ražotājvalstis ir Ukraina un Kazahstāna.
Aptuveni 30% no gada gallija produkcijas tiek iegūti no lūžņiem un pārstrādājamiem materiāliem, piemēram, GaAs saturošām IC vafelēm. Lielākā daļa gallija pārstrādes notiek Japānā, Ziemeļamerikā un Eiropā.
The ASV Ģeoloģijas dienests lēš, ka 2011. gadā tika saražoti 310 MT attīrīta gallija.
Pasaulē lielākie ražotāji ir Zhuhai Fangyuan, Beijing Jiya Semiconductor Materials un Recapture Metals Ltd.
Lietojumprogrammas:
Kad leģēts gallijs mēdz korodēt vai padarīt metālus līdzīgus tērauda trausls. Šī īpašība kopā ar ārkārtīgi zemo kušanas temperatūru nozīmē, ka gallijam ir maza nozīme strukturālos lietojumos.
Metāliskā formā galliju izmanto lodmetālos un sakausējumos ar zemu kausējumu, piemēram Šis ieraksts , bet visbiežāk tas ir atrodams pusvadītāju materiālos.
Gallium galvenos lietojumus var iedalīt piecās grupās:
1. Pusvadītāji: GaAs vafeles, kas veido aptuveni 70% no gada gallija patēriņa, ir daudzu mūsdienu elektronisko ierīču, piemēram, viedtālruņu un citu bezvadu sakaru ierīču, kas balstās uz GaAs IC enerģijas taupīšanas un pastiprināšanas spēju, pamatā.
2. Gaismas diodes (LED). Ir ziņots, ka kopš 2010. gada globālais pieprasījums pēc gallija LED sektorā ir dubultojies, jo mobilajos un plakanā ekrāna displejos tiek izmantotas augstas spilgtuma gaismas diodes. Globālā virzība uz lielāku energoefektivitāti ir izraisījusi arī valdības atbalstu LED apgaismojuma izmantošanai kvēlspuldzes un kompaktās dienasgaismas apgaismojuma vietā.
3. Saules enerģija. Gallija izmantošana saules enerģijas lietojumos ir vērsta uz divām tehnoloģijām:
- GaAs koncentratora saules baterijas
- Kadmija-indija-gallija-selenīda (CIGS) plānslāņa saules baterijas
Tā kā abas tehnoloģijas ir ļoti efektīvas fotoelementu šūnas, tās ir guvušas panākumus specializētos lietojumos, jo īpaši saistībā ar kosmosa un militāro jomu, taču joprojām saskaras ar šķēršļiem liela mēroga komerciālai lietošanai.
4. Magnētiskie materiāli: Augsta izturība, pastāvīga magnēti ir datoru, hibrīdautomobiļu, vēja turbīnu un dažādu citu elektronisku un automatizētu iekārtu galvenā sastāvdaļa. Dažos pastāvīgajos magnētos, tostarp neodīma magnētās, tiek izmantotas nelielas gallija piedevas. dzelzs - bors (NdFeB) magnēti.
5. Citas lietojumprogrammas:
- Speciālie sakausējumi un lodmetāli
- Slapināšanas spoguļi
- Ar plutoniju kā kodolstabilizatoru
- Niķelis - mangāns -gallija formas atmiņas sakausējums
- Naftas katalizators
- Biomedicīnas lietojumi, tostarp farmaceitiskie līdzekļi (gallija nitrāts)
- Fosfori
- Neitrīno noteikšana
Avoti:
Softpedia. LED (gaismas diožu) vēsture.
Entonijs Džons Dauns, (1993), 'Alumīnija, gallija, indija un tallija ķīmija'. Springer, ISBN 978-0-7514-0103-5
Barratt, Curtis A. 'III-V Semiconductors, a History in RF Applications.' ECS Trans . 2009, 19. sējums, 3. izdevums, 79.-84. lpp.
Šūberts, E. Fredis. Gaismas diodes . Rensselaer Politehniskais institūts, Ņujorka. 2003. gada maijs.
USGS. Minerālu preču kopsavilkumi: gallijs.
Avots: http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/gallium/index.html
SM ziņojums. Blakusproduktu metāli: alumīnija un gallija attiecības .