Metalliprofiili: Gallium- ja LED-valot

Gallium on syövyttävä, hopeanvärinen vähimetalli, joka sulaa lähellä huoneenlämpöä ja jota käytetään useimmiten puolijohdeyhdisteiden valmistuksessa.

• Atomisymboli: Ga
• Atominumero: 31
• Elementtiluokka: Siirtymisen jälkeinen metalli
• Tiheys: 5,91 g / cm³ (23 ° C: n lämpötilassa)
• Sulamispiste: 29,76 ° C (85,58 ° F).
• Kiehumispiste: 2204 ° C (3999 ° F)
• Mohin kovuus: 1.5

Puhdas gallium on hopeanvalkoinen ja sulaa lämpötiloissa, jotka ovat alle 29,4 ° C. Metalli pysyy sulassa tilassa lähes 4004 ° C (2204 ° C) lämpötilaan saakka, mikä antaa sille suurimman nestemäisen alueen kaikista metalliosista.

Gallium on yksi harvoista metalleista, joka paisuu jäähtyessään, lisäämällä tilavuuttaan hieman yli 3%.

Vaikka gallium seostuu helposti muiden metallien kanssa, se on syövyttävä, diffundoituu useimpien metallien ristikkoon ja heikentäen niitä. Sen matala sulamispiste tekee siitä kuitenkin käyttökelpoisen tietyissä alhaisen sulamisseoksissa.

Toisin kuin elohopea, joka on myös nestemäistä huoneenlämmössä, gallium kastelee sekä ihoa että lasia, mikä tekee siitä vaikeamman käsitellä. Gallium ei ole läheskään yhtä myrkyllinen kuin elohopea.

Paul-Emile Lecoq de Boisbaudran löysi vuonna 1875 tutkiessaan sphaleriittimalmeja, galliumia käytettiin kaupallisissa sovelluksissa vasta 1900-luvun loppupuolella.

Galliumilla on vain vähän hyötyä rakennemetallina, mutta sen arvoa monissa nykyaikaisissa elektroniikkalaitteissa ei voida aliarvioida.

Galliumin kaupalliset käyttötarkoitukset kehitettiin 1950-luvun alkupuolella aloitettujen valoa emittoivien diodien (LED) ja III-V-radiotaajuisen (RF) puolijohdetekniikan tutkimuksen perusteella.

Vuonna 1962 IBM-fyysikko J.B. Gunnin tutkimus gallium-arsenidistä (GaAs) johti tiettyjen tiettyjen läpi kulkevan sähkövirran suurtaajuisen värähtelyn löytämiseen. puolijohtavat kiinteät aineet - tunnetaan nyt nimellä "Gunn-efekti". Tämä läpimurto avasi varhaisten sotilasilmaisimien rakentamisen Gunn - diodeilla (tunnetaan myös nimellä siirtoelektroniikkalaitteet), joita on sittemmin käytetty erilaisissa automatisoiduissa laitteissa, tutkatunnistimista ja signaaliohjaimista kosteuspitoisuuden ilmaisimiin ja murtohälyttimiin hälytykset.

RCA: n, GE: n ja IBM: n tutkijat tuottivat 1960-luvun alkupuolella ensimmäiset GaA: iin perustuvat LEDit ja laserit.

Alun perin LEDit pystyivät tuottamaan vain näkymättömiä infrapuna-aaltoja, rajoittaen valot antureihin ja fotoelektronisiin sovelluksiin. Mutta niiden potentiaali energiatehokkaina pienikokoisina valonlähteinä oli ilmeinen.

1960-luvun alkupuolella Texas Instruments aloitti LEDien tarjoamisen kaupallisesti. 1970-luvulle mennessä kehitettiin pian varhaiset digitaaliset näyttöjärjestelmät, joita käytettiin kelloissa ja laskimenäytöissä, LED-taustavalaisimilla.

Jatkotutkimukset 1970- ja 1980-luvuilla tuottivat tehokkaampia kerrostustekniikoita, mikä teki LED-tekniikasta luotettavamman ja kustannustehokkaamman. Gallium-alumiini-arseeni (GaAlAs) -puolijohdeyhdisteiden kehitys johti LEDeihin, jotka olivat kymmenen kertaa kirkkaammat kuin aikaisemmin, kun taas värispektri käytettävissä LEDLisäksi se on edistynyt uusien, galliumia sisältävien puolijohtavien substraattien, kuten indium-galliumnitridin (InGaN), gallium-arsenidifosfidin (GaAsP) ja galliumfosfidin (GaP) perusteella.

1960-luvun lopulla GaA: n johtavia ominaisuuksia tutkittiin myös osana aurinkoenergian lähteitä avaruustutkimukseen. Neuvostoliiton tutkimusryhmä loi vuonna 1970 ensimmäisen GaAs-heterostruktuurisen aurinkokennon.

Kriittinen optoelektronisten laitteiden ja integroitujen piirien (IC) valmistuksessa, GaAs-kiekkojen kysyntä lisääntyi myöhään 1990-luku ja 2000-luvun alku korreloituna matkaviestinnän ja vaihtoehtoisen energian kehityksen kanssa teknologioita.

Ei ole yllättävää, että vastauksena kasvavaan kysyntään vuosien 2000 ja 2011 välillä globaalin primaalin galliumin tuotanto on yli kaksinkertainen noin 100 tonnista (MT) vuodessa yli 300 tonniin.

Maapallonkuoreen keskimääräisen galliumpitoisuuden arvioidaan olevan noin 15 miljoonasosaa, suunnilleen samanlainen kuin litium ja yleisempi kuin johtaa. Metalli on kuitenkin hajallaan ja esiintyy harvoissa taloudellisesti uutettavissa malmikappaleissa.

Jopa 90% kaikesta tuotetusta primaarista galliumista uutetaan tällä hetkellä bauksiitista jalostamalla alumiinioksidia (Al2O3), joka on alumiini. Pieni määrä galliumia tuotetaan sivutuotteena sinkki uuttaminen sferiittimalmin puhdistamisen aikana.

Bayer-prosessin aikana jalostamalla alumiinimalmia alumiinioksidiksi, murskattu malmi pestään kuumalla natriumhydroksidiliuoksella (NaOH). Tämä muuttaa alumiinioksidin natriumaluminaatiksi, joka asettuu säiliöihin, kun taas galliumia sisältävä natriumhydroksidiliuos kerätään uudelleenkäyttöön.

Koska tämä lipeä kierrätetään, galliumpitoisuus kasvaa jokaisen jakson jälkeen, kunnes se saavuttaa tason noin 100 - 125 ppm. Sitten seos voidaan ottaa ja väkevöidä gallaattina uuttamalla uuttamalla orgaanisia kelatoivia aineita.

Elektrolyyttisessä kylvyssä lämpötiloissa 104 - 140 ° F (40 - 60 ° C) natriumgallaatti muuttuu epäpuhtaudeksi galliumiksi. Hapossa pesemisen jälkeen se voidaan sitten suodattaa huokoisten keraamisten tai lasilevyjen läpi, jolloin saadaan 99,9-99,99% galliummetallia.

99,99% on standardi edeltäjälaatu GaAs-sovelluksissa, mutta uudet käyttötavat vaativat korkeampaa puhtautta, joka voidaan saavuttaa metallin lämmittäminen tyhjössä haihtuvien elementtien poistamiseksi tai sähkökemiallinen puhdistus ja fraktiokiteytys menetelmiä.

Viime vuosikymmenen aikana suuri osa maailman primaarista galliumintuotannosta on muuttanut Kiinaan, joka toimittaa nyt noin 70 prosenttia maailman galliumista. Muita alkutuottajamaita ovat Ukraina ja Kazakstan.

Noin 30% galliumin vuosituotannosta uutetaan romusta ja kierrätettävistä materiaaleista, kuten GaAs: ta sisältävistä IC-kiekoista. Suurin osa galliumin kierrätyksestä tapahtuu Japanissa, Pohjois-Amerikassa ja Euroopassa.

Yhdysvaltain geologinen tutkimuslaitos arvioi, että vuonna 2011 tuotettiin 310MT puhdistettua galliumia.

Maailman suurimpia tuottajia ovat Zhuhai Fangyuan, Beijing Jiya Semiconductor Materials ja Recapture Metals Ltd.

Kun seostettu gallium pyrkii syövyttämään tai tekemään metalleista kuten teräs hauras. Tämä ominaisuus yhdessä sen erittäin alhaisen sulamislämpötilan kanssa tarkoittaa, että galliumilla on vain vähän hyötyä rakenteellisissa sovelluksissa.

Metallisessa muodossaan galliumia käytetään juoteissa ja alhaisen sulametalliseoksissa, kuten Galinstan®, mutta sitä löytyy useimmiten puolijohdemateriaaleista.

Galliumin tärkeimmät sovellukset voidaan luokitella viiteen ryhmään:

1. Puolijohteet: GaAs-kiekot, joiden osuus vuosittaisesta galliuminkulutuksesta on noin 70%, ovat monien nykyaikaisten elektroniikan selkäranka. - laitteet, kuten älypuhelimet ja muut langattomat viestintälaitteet, jotka luottavat tietokoneen virransäästö - ja vahvistuskykyyn GaAs-IC: t.

2. Valoa emittoivat diodit (LEDit): LED-sektorin galliumin kysyntä maailmanlaajuisesti on vuodesta 2010 kaksinkertaistunut johtuen korkean kirkkauden merkkivalojen käytöstä mobiili- ja taulutelevisioissa. Globaali siirtyminen kohti energiatehokkuuden lisäämistä on myös johtanut hallituksen tukeen LED-valaistuksen käytölle hehkulamppujen ja pienikokoisten loistelamppujen yli.

3. Aurinkoenergia: Galliumin käyttö aurinkoenergian sovelluksissa on keskittynyt kahteen tekniikkaan:

• GaAs-konsentraattorin aurinkokennot
• Kadmium-indium-gallium-selenidi (CIGS) ohutkalvoiset aurinkokennot

Kuten erittäin tehokkaina aurinkosähkökennoina, molemmat tekniikat ovat menestyneet erikoistuneina Erityisesti ilmailu- ja sotilaskäyttöön liittyvät sovellukset, mutta silti suurten esteiden edessä kaupallinen käyttö.

4. Magneettiset materiaalit: Erittäin luja, pysyvä magneetit ovat avaintekijä tietokoneissa, hybridi-autoissa, tuulivoimaloissa ja monissa muissa elektronisissa ja automatisoiduissa laitteissa. Joissakin kestomagneeteissa, mukaan lukien neodyymi-, käytetään pieniä galliumlisäyksiärauta--boori (NdFeB) magneetit.

5. Muut sovellukset:

• Erikoislejeeringit ja juotteet
• Kostutuspeilit
• Plutoniumilla ydinstabiloijana
• Nikkeli-mangaani-galliummuotomuistiseos
• Öljykatalyytti
• Biolääketieteelliset sovellukset, mukaan lukien lääkkeet (galliumnitraatti)
• phosphors
• Neutrino-havaitseminen

_Lähteet:

_{Softpedia. LEDien (valoa emittoivien diodien) historia.}

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

_{Anthony John Downs, (1993), "Alumiinin, galliumin, indiumin ja talliumin kemia". Springer, ISBN 978-0-7514-0103-5}

_{Barratt, Curtis A. "III-V Puolijohteet, historia RF-sovelluksissa." ECS Trans. 2009, osa 19, numero 3, sivut 79-84.}

_{Schubert, E. Fred. Valoa emittoivat diodit. Rensselaer Polytechnic Institute, New York. Toukokuu 2003.}

_{USGS. Mineraaliaineyhteenvedot: Gallium.}

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

_{SM-raportti. Sivutuotemetallit: alumiini-gallium-suhde.}

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