Metalprofil: Gallium

Den mindre metal, der hjælper LED-lysene, skinner lys

Gallium er et ætsende, sølvfarvet mindre metal, som smelter tæt på stuetemperatur og anvendes hyppigst i produktionen af ​​halvlederforbindelser.

Ejendomme:

• Atomisk symbol: Ga
• Atomisk nummer: 31
• Element Kategori: Post-overgangsmetal
• Tæthed: 5,91 g / cm3 (ved 73 ° F / 23 ° C)
• Smeltepunkt: 85,58 ° F (29,76 ° C)
• Kogepunkt: 3999 ° F (2204 ° C)
• Mohs hårdhed: 1.5

Egenskaber:

Ren gallium er sølvfarvet og smelter ved temperaturer under 85 ° F (29,4 ° C).

Metalet forbliver i en smeltet tilstand op til næsten 4000 ° F (2204 ° C), hvilket giver den det største væskeportiment af alle metalelementer.

Gallium er et af få få metaller, der ekspanderer, efterhånden som det køler, stigende i volumen med lidt over 3%.

Selv om gallium let legeres med andre metaller, er det ætsende , der diffunderer i gitteret og svækker de fleste metaller. Dens lave smeltepunkt gør det imidlertid nyttigt i visse lavmeltige legeringer.

I modsætning til kviksølv , som også er flydende ved stuetemperatur, beskytter gallium både hud og glas, hvilket gør det vanskeligere at håndtere. Gallium er næsten ikke så giftigt som kviksølv.

Historie:

Opdaget i 1875 af Paul-Emile Lecoq de Boisbaudran, mens han undersøgte sphaleritmalmer, blev gallium ikke brugt i nogen kommercielle anvendelser til sidstnævnte af det 20. århundrede.

Gallium har kun lidt brug som et strukturelt metal, men dets værdi i mange moderne elektroniske enheder kan ikke undervurderes.

Kommercielle anvendelser af gallium er udviklet fra den indledende forskning på lysdioder (LED'er) og III-V radiofrekvens (RF) halvlederteknologi, som begyndte i begyndelsen af ​​1950'erne.

I 1962 førte IBM fysikeren JB Gunns forskning på galliumarsenid (GaAs) til opdagelsen af ​​højfrekvent oscillation af den elektriske strøm, der strømmer gennem visse halvledende faste stoffer - nu kendt som 'Gunn Effect'en. Dette gennembrud banede vejen for, at tidlige militære detektorer blev bygget ved hjælp af Gunn-dioder (også kendt som overførselselektronik), der siden er blevet brugt i forskellige automatiserede enheder, fra bilraddardetektorer og signalstyrere til fugtighedsdetektorer og tyverialarmer.

De første LED'er og lasere baseret på GaAs blev produceret i begyndelsen af ​​1960'erne af forskere hos RCA, GE og IBM.

Først var lysdioder kun i stand til at producere usynlige infrarøde lysbølger, der begrænsede lysene til sensorer og fotoelektroniske applikationer. Men deres potentiale som energieffektive kompakte lyskilder var tydelig.

I begyndelsen af ​​1960'erne begyndte Texas Instruments at tilbyde LED'er kommercielt. I 1970'erne blev de tidlige digitale displaysystemer, der blev brugt i ure og lommeregner, hurtigt udviklet ved hjælp af LED-baggrundsbelysningssystemer.

Yderligere forskning i 1970'erne og 1980'erne resulterede i mere effektive deponeringsteknikker, hvilket gør LED-teknologien mere pålidelig og omkostningseffektiv. Udviklingen af ​​halvlederforbindelser af gallium-aluminium-arsen (GaAlAs) resulterede i LED'er, der var ti gange lysere end tidligere, mens farvespektret tilgængeligt for LED s også avanceret baseret på nye, galliumholdige halvledende substrater, såsom indium -galiumnitrid (InGaN), gallium-arsenidphosphid (GaAsP) og galliumphosphid (GaP).

Ved slutningen af ​​1960'erne blev GaAs ledende egenskaber også undersøgt som led i solenergikilder til rumforskning. I 1970 oprettede et sovjetisk forskergruppe de første GaAs heterostrukturen solceller.

Kritisk til fremstilling af optoelektroniske enheder og integrerede kredsløb (ICs), efterspurgte GaAs-wafers i slutningen af ​​1990'erne og begyndelsen af ​​det 21. århundrede i forbindelse med udviklingen af ​​mobilkommunikation og alternative energiteknologier.

Ikke overraskende, som reaktion på denne stigende efterspørgsel, er global primær galliumproduktion mellem 2000 og 2011 mere end dobbelt fra ca. 100 tons (MT) om året til over 300MT.

Produktion:

Det gennemsnitlige galliumindhold i jordskorpen er anslået til at være omkring 15 dele pr. Million, stort set ligner lithium og mere almindeligt end bly . Metalet er imidlertid bredt spredt og til stede i få økonomisk ekstraherbare malmkroppe.

Så meget som 90% af alt produceret primær gallium ekstraheres i øjeblikket fra bauxit under raffinering af aluminiumoxid (Al2O3), en forstad til aluminium .

En lille mængde gallium fremstilles som et biprodukt af zinkekstraktion under raffinering af sphaleritmalm.

Under Bayer-processen med raffinering af aluminiummalm til aluminiumoxid vaskes knust malm med en varm opløsning af natriumhydroxid (NaOH). Dette omdanner aluminiumoxid til natriumaluminat, som aflejres i tanke, mens natriumhydroxidvæsken, der nu indeholder gallium, opsamles til genanvendelse.

Fordi denne væske genbruges, øger galliumindholdet efter hver cyklus, indtil det når et niveau på ca. 100-125 ppm. Blandingen kan derefter tages og koncentreres som gallat via opløsningsmiddelekstraktion under anvendelse af organiske chelateringsmidler.

I et elektrolytisk bad ved temperaturer på 104-140 ° F (40-60 ° C) omdannes natrium gallat til uren gallium. Efter vask i syre kan denne filtreres gennem porøse keramiske eller glasplader for at skabe 99,9-99,99% galliummetal.

99,99% er standardprecursorkvaliteten til GaAs-applikationer, men nye anvendelser kræver højere renheder, der kan opnås ved opvarmning af metallet under vakuum for at fjerne flygtige elementer eller elektrokemisk rensning og fraktionerede krystallisationsmetoder.

I løbet af det sidste årti har mange af verdens primære galliumproduktion flyttet til Kina, som nu leverer ca. 70% af verdens gallium. Andre primærproducerende lande omfatter Ukraine og Kasakhstan.

Ca. 30% af den årlige galliumproduktion er ekstraheret fra skrot og genanvendelige materialer, såsom GaAs-indeholdende IC-wafers. De fleste galliumgenvinding finder sted i Japan, Nordamerika og Europa.

Den amerikanske geologiske undersøgelse anslår at 310MT af raffineret gallium blev produceret i 2011.

Verdens største producenter omfatter Zhuhai Fangyuan, Beijing Jiya Semiconductor Materials og Recapture Metals Ltd.

Applikationer:

Når legeret gallium har tendens til at korrodere eller gøre metaller som stålskør. Dette træk, sammen med dets ekstremt lave smeltetemperatur, betyder, at gallium kun har ringe brug i strukturelle anvendelser.

I sin metalliske form anvendes gallium i soldere og smelte legeringer, såsom Galinstan ®, men findes oftest i halvledermaterialer.

Galliums hovedapplikationer kan kategoriseres i fem grupper:

1. Halvledere: GaAs-wafers tegner sig for omkring 70% af det årlige galliumforbrug, som er rygraden i mange moderne elektroniske enheder, såsom smartphones og andre trådløse kommunikationsenheder, der er afhængige af GaAs ICs strømbesparende og forstærkende evne.

2. Lysdioder (LED'er): Siden 2010 er den globale efterspørgsel efter gallium fra LED-sektoren angiveligt fordoblet på grund af brugen af ​​lysstyrke med høj lysstyrke i mobile og fladskærmsdisplay. Det globale skridt i retning af større energieffektivitet har også ført til regeringens støtte til brugen af ​​LED-belysning via glødelampe og kompakt fluorescerende belysning.

3. Solenergi: Galliums brug i solenergi applikationer er fokuseret på to teknologier:

• GaAs koncentrator solceller
• Cadmium-indium-gallium-selenid (CIGS) tyndfilm solceller

Som højeffektive solcelleceller har begge teknologier haft succes i specialiserede applikationer, især relateret til luftfart og militær, men stadig ansigtsbarrierer til storstilet kommerciel brug.

4. Magnetiske materialer: Højstyrke, permanente magneter er en nøglekomponent af computere, hybridbiler, vindmøller og forskellige andre elektroniske og automatiserede udstyr. Små tilføjelser af gallium anvendes i nogle permanente magneter, herunder magneter af neodym- jern - bor (NdFeB).

5. Andre applikationer:

• Speciallegeringer og soldater
• Bevægelse spejle
• Med plutonium som en nuklear stabilisator
• Nikkel - mangan- galliumformet hukommelseslegering
• Petroleumkatalysator
• Biomedicinske applikationer, herunder lægemidler (galliumnitrat)
• fosforfarver
• Neutrino-detektion

_Kilder:

_{Softpedia. Historie af lysdioder (lysemitterende dioder).}

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

_{Anthony John Downs, (1993), "Kemi af aluminium, gallium, indium og thallium." Springer, ISBN 978-0-7514-0103-5}

_{Barratt, Curtis A. "III-V Semiconductors, en historie i RF-applikationer." ECS Trans . 2009, bind 19, udgave 3, s. 79-84.}

_{Schubert, E. Fred. Lysemitterende dioder . Rensselaer Polytechnic Institute, New York. Maj 2003.}

_{USGS. Mineral Commodity Summaries: Gallium.}

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

_{SM rapport. Biproduktmetaller: Aluminium-Gallium-forholdet .}

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