Metalliprofiili: Gallium

Gallium on syövyttävä, hopeavärinen metalli, joka sulaa huoneenlämpötilan lähellä ja jota käytetään useimmin puolijohdevalmisteiden valmistuksessa.

Ominaisuudet:

• Atomic Symbol: Ga
• Atomic Number: 31
• Elementtiryhmä: Siirtymämetalli
• Tiheys: 5. 91 g / cm³ (73 ° F / 23 ° C)
• Sulamispiste: 85 ° C (29,76 ° C)
• Kiehumispiste: 3999 ° F (2204 ° C)
• Moh: n kovuus: 1. 5

Ominaisuudet:

Pure gallium on hopeavärinen ja sulaa lämpötilassa, joka on alle 85 ° F (29,4 ° C).

Metalli pysyy sulassa tilassa lähes 4000 ° F: seen (2204 ° C), jolloin se on kaikkien metallisten elementtien suurin nestemäinen alue.

Gallium on yksi vain muutamasta metallista, joka laajenee, kun se jäähtyy ja kasvaa tilavuudeltaan hieman yli 3%.

Vaikka galalli helposti seostuu muilla metalleilla, se on syövyttävää, diffundoituu useimpien metallien ristikkoon ja heikentää niitä. Sen alhainen sulamispiste on kuitenkin käyttökelpoinen tietyissä matalan sulan seoksissa.

Toisin kuin elohopea, joka on myös nestemäinen huoneen lämpötilassa, gallium märkäi sekä ihoa että lasia, mikä vaikeuttaa sen käsittelyä. Silti galalli ei ole yhtä myrkyllistä kuin elohopea.

Historia:

Paul-Emile Lecoq de Boisbaudranin 1875 löysi 1866 spalliittimalmia tutkittaessa galliumia ei käytetä missään kaupallisessa sovelluksessa ennen 1900-luvun loppupuolta.

Gallium ei ole kovinkaan hyödyllinen rakenneteräksi, mutta sen arvoa monissa nykyaikaisissa elektronisissa laitteissa ei voida aliarvioida.

Galliumin kaupallinen käyttö, joka syntyi 1950-luvun alkupuolella alkaneesta valoa lähettävistä diodeista (LED) ja III-V: n radiotaajuus (RF) puolijohdetekniikasta.

Vuonna 1962 IBM: n fyysikko J. B. Gunnin tutkimus galliumarsenidista (GaAs) johti siihen, että sähkövirran korkeataajuinen värähtely havaittiin tiettyjen puolijohtavien kiintoaineiden läpi - nyt nimeltään "Gunn Effect".

Tämä läpimurto avasi tietä varhaisten sotilastunnistimien rakentamiseksi käyttäen Gunn-diodeja (tunnetaan myös siirtoelektronilaitteina), joita on sitten käytetty erilaisissa automaattisissa laitteissa, autojen tutkatunnistimista ja signaalisäätimistä kosteuspitoisuuden ilmaisimiin ja murtohälyttimiin .

Ensimmäiset GaAs-pohjaiset LEDit ja laserit tuotettiin 1960-luvun alussa RCA: n, GE: n ja IBM: n tutkijoilta.

Aluksi LED-valot pystyivät tuottamaan näkymättömiä infrapunavaloja, rajoittamaan valoja antureihin ja valokuvasovelluksiin. Mutta niiden potentiaali energiatehokkaina pienoisvalonlähteinä oli ilmeinen.

1960-luvun alussa Texas Instruments alkoi tarjota LED-valaisimia kaupallisesti. 1970-luvulla alkuvalmistelut, joita käytettiin kellot ja laskimet näytöissä, kehitettiin pian LED-taustavalojärjestelmien avulla.

1970-luvulla ja 1980-luvulla tehdyllä lisätutkimuksella saatiin tehokkaampia laskeutumistekniikoita, jolloin LED-tekniikka olisi luotettavampi ja kustannustehokas. Gallium-alumiini-arseenin (GaAlAs) puolijohdekomponenttien kehittyminen johti LED-valoihin, jotka olivat kymmenen kertaa kirkkaampia kuin edellisellä, kun taas LEDien käytettävissä oleva värispektri kehittyi myös uusien, galliumia sisältävien puolijohtavien substraattien, kuten indium- galliumnitridi (InGaN), gallium-arsenidifosfidi (GaAsP) ja galliumfosfidi (GaP).

1960-luvun loppupuolella GaAsin johtavat ominaisuudet tutkittiin myös osana aurinkovoimaloita avaruustutkimukseen. Vuonna 1970 Neuvostoliiton tutkimusryhmä loi ensimmäisen GaAs-heterostruktuurin aurinkokennot.

Optoelektronisten laitteiden ja integroitujen piirien (IC) valmistukseen kriittinen kysyntä GaAs-kiekkojen kysyntä kasvoi 1990-luvun lopulla ja 2000-luvun alussa korreloivasti matkaviestinnän ja vaihtoehtoisten energiateknologioiden kehittämiseen.

Ei ole yllättävää, että vastauksena tähän kasvavaan kysyntään vuosina 2000-2011 yleinen primaari-galliotuotanto yli kaksinkertaistui noin 100 metrisestä tonnista (MT) vuodessa yli 300 miljoonaan tonniin.

Tuotanto:

Maankuoren keskimääräisen galliumipitoisuuden arvioidaan olevan noin 15 miljoonasosaa, karkeasti samanlainen kuin litium ja yleisempi kuin lyijy.

Metallia on kuitenkin laajalti dispergoitunut ja esiintynyt muutamassa taloudellisesti irrotettavassa malmissa.

Yli 90% kaikista primäärisestä galliumista valmistetaan tällä hetkellä bauksiitista alumiinioksidin (Al2O3) jalostamisen aikana alumiinin esiasteeksi. Pieni määrä galliumia tuotetaan sinkin uuttamisen sivutuotteena sphalerite-malmin puhdistuksen aikana.

Bayer-prosessin aikana alumiinimalmin jalostamista alumiinioksidiksi murskattu malmi pestään kuumalla natriumhydroksidiliuoksella (NaOH). Tämä muuntaa alumiinioksidia natriumaluminaatiksi, joka asettuu säiliöihin, kun taas geeliä sisältävä natriumhydroksidilipeä kerätään uudelleenkäyttöön.

Koska tämä juoma kierrätetään, galliumipitoisuus kasvaa jokaisen syklin jälkeen, kunnes se saavuttaa noin 100-125 ppm. Sitten seos voidaan ottaa ja konsentroida gallinaalina liuotinuuttamalla käyttäen orgaanisia kelatoivia aineita.

Elektrolyyttisessä kylvyssä lämpötiloissa, jotka ovat 104-140 ° F (40 - 60 ° C), natriumalataatti muutetaan epäpuhtaaksi galliumiksi. Happaman pesun jälkeen tämä voidaan suodattaa huokoisten keraamisten tai lasilevyjen läpi luoden 99. 9-99. 99% galliummetallia.

99. 99% on GaAs-sovellusten standardi edeltäjä, mutta uudet käyttötarkoitukset edellyttävät suurempia puhtauksia, jotka voidaan saavuttaa kuumentamalla metalli tyhjiössä haihtuvien elementtien poistamiseksi tai sähkökemiallisesta puhdistuksesta ja murto-kiteytysmenetelmistä.

Kuluneen vuosikymmenen aikana suurin osa maailman primaarisesta galliotuotannosta on siirtynyt Kiinaan, joka toimittaa nyt noin 70% maailman galliumista. Muita alkutuottajamaita ovat Ukraina ja Kazakstan.

Noin 30% vuotuisesta galliotuotannosta uutetaan romusta ja kierrätettävistä materiaaleista, kuten GaAs: tä sisältävistä IC-kiekkeista.Useimmat galliumin kierrätys tapahtuvat Japanissa, Pohjois-Amerikassa ja Euroopassa.

US Geological Survey arvioi, että vuonna 2011 tuotettiin 310MT jalostettua galliumia.

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

Sovellukset:

Kun seostettu gallium pyrkii syövyttämään tai tekemään metalleja kuten teräs hauraaksi. Tämä ominaisuus ja sen erittäin alhainen sulamislämpötila merkitsevät sitä, että galliumilla on vain vähän hyötyä rakenteellisissa sovelluksissa.

Metallisessa muodossaan galliumia käytetään juotteissa ja alhaisissa sulateoksissa, kuten Galinstan®, mutta se esiintyy useimmiten puolijohdemateriaaleissa.

Galliumin tärkeimmät sovellukset voidaan luokitella 5 ryhmään:

1. Puolijohteet: GaAs-kiekot muodostavat noin 70 prosentin vuosittaisen galliumin kulutuksen. Ne ovat monien nykyaikaisten elektronisten laitteiden, kuten älypuhelinten ja muiden langattomien viestintälaitteiden, selkäranka, jotka perustuvat GaAs-IC: ien virransäästötilaan ja vahvistukseen.

2. Valodiodit (LEDit): Vuodesta 2010 lähtien LED-sektorin galliumin maailmanlaajuinen kysyntä on kaksinkertaistunut, koska se käyttää mobiili- ja taulutelevisillä näytöillä korkean kirkkauden LED-valoja. Globaali muutos kohti energiatehokkuuden lisäämistä on myös johtanut siihen, että hallitus tukee LED-valaistuksen käyttöä hehkulamppujen ja pienloistelampuilla.

3. Aurinkoenergia: Gallium käyttää aurinkoenergiasovelluksissa keskittyy kahteen tekniikkaan:

• GaAs-keskittimen aurinkokennot
• Kadmium-indium-gallium-selenidi (CIGS) ohutkalvo aurinkokennot

ovat menestyneet erikoistuneissa sovelluksissa, jotka liittyvät erityisesti ilmailu- ja sotilasalaan, mutta silti haittaavat laajamittaista kaupallista käyttöä.

4. Magneettiset materiaalit: Kestävät magneetit ovat keskeinen osa tietokoneita, hybridi-autoja, tuuliturbiineja ja muita elektronisia ja automatisoituja laitteita. Tietyissä kestomagneeteissa käytetään vähän galliumia, mukaan lukien neodyymi-rauta-boori (NdFeB) -magneetit.

5. Muut sovellutukset:

• Erikoiseokset ja juotokset
• Kastuvat peilit
• Plutoniumin ollessa ydinvoimalaitteena
• Nikkeli-mangaani-galliumimuotoinen muistiyhdistelmä
• Öljykatalyytti
• Biolääketieteelliset sovellukset, mukaan lukien lääkkeet (gallium nitraatti)
• Fosforit
• Neutrinointunnistus

_Lähteet:

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

_{Lähde: // web. arkisto. org / web / 20130325193932 / // gadgetit. Softpedia. com / news / Historia-of-LEDit-Light-Emitting-diodit-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 lähettävät diodit . Rensselaer-ammattikorkeakoulu, New York. Toukokuu 2003.}

_{USGS. Mineraalituotteiden tiivistelmät: Gallium.}

_{Lähde: // mineraalit. USGS. gov / mineraalit / pubit / hyödyke / gallium / indeksin. html}

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

_{URL: www. strateginen-metalli. TypePad. fi}