Галлий - это коррозийный мелкий металл серебристого цвета, который плавится при комнатной температуре и чаще всего используется в производстве полупроводниковых соединений.
Свойства:
- Атомный символ: Ga
- Атомный номер: 31
- Элемент Категория: Пост-переходный металл
- Плотность: 5,91 г / см3 (при 73 ° F / 23 ° C)
- Температура плавления: 85,58 ° F (29,76 ° C)
- Точка кипения: 3999 ° F (2204 ° C)
- Твердость по Моосу: 1,5
Характеристики:
Чистый галлий серебристо-белый и плавится при температуре ниже 85 ° F (29,4 ° C). Металл остается в расплавленном состоянии почти до 4000 ° F (2204 ° C), что дает ему самый большой диапазон жидкостей среди всех металлических элементов.
Галлий - один из немногих металлов, который расширяется при охлаждении, увеличиваясь в объеме чуть более чем на 3%.
Хотя галлий легко сплавляется с другими металлами, он коррозионныйдиффундирует в решетку и ослабляет большинство металлов. Однако его низкая температура плавления делает его полезным в некоторых легкоплавких сплавах.
В отличие от
Меркурий, который также является жидким при комнатной температуре, галлий смачивает как кожу, так и стекло, делая его более трудным в обращении. Галлий не так токсичен, как ртуть.История:
Обнаруженный в 1875 году Полем-Эмилем Лекоком де Буабодраном при изучении сфалеритовых руд, галлий не использовался в коммерческих целях вплоть до второй половины 20-го века.
Галлий мало пригоден в качестве конструкционного металла, но его ценность во многих современных электронных устройствах не может быть занижена.
Коммерческое использование галлия было разработано на основе начальных исследований светодиодов (III) и III-V радиочастотной (RF) полупроводниковой технологии, которые начались в начале 1950-х годов.
В 1962 году исследование физика IBM Дж. Б. Ганна по арсениду галлия (GaAs) привело к открытию высокочастотных колебаний электрического тока, протекающего через определенные полупроводниковые твердые тела - теперь известный как «эффект Ганна». Этот прорыв проложил путь для ранних военных детекторов, которые будут построены с использованием диодов Ганна (также известных как устройства для переноса электронов), которые с тех пор используются в различных автоматизированных устройствах, от автомобильных радарных детекторов и контроллеров сигналов до детекторов содержания влаги и грабителей сигналы тревоги.
Первые светодиоды и лазеры на основе GaAs были созданы в начале 1960-х годов исследователями из RCA, GE и IBM.
Первоначально светодиоды могли создавать только невидимые инфракрасные световые волны, ограничивая освещение датчиками и фотоэлектронными приложениями. Но их потенциал как энергоэффективных компактных источников света был очевиден.
К началу 1960-х годов Texas Instruments начала предлагать светодиоды на коммерческой основе. К 1970-м годам первые цифровые дисплейные системы, используемые в часах и калькуляторах, были вскоре разработаны с использованием систем светодиодной подсветки.
Дальнейшие исследования в 1970-х и 1980-х годах привели к более эффективным методам осаждения, что сделало светодиодные технологии более надежными и экономически эффективными. Развитие полупроводниковых соединений галлий-алюминий-мышьяк (GaAlAs) привело к тому, что светодиоды были в десять раз ярче, чем предыдущие, в то время как цветовой спектр был доступен для СВЕТОДИОДОни также усовершенствованы на основе новых галлийсодержащих полупроводящих субстратов, таких как индий-галлий-нитрид (InGaN), галлий-арсенид-фосфид (GaAsP) и галлий-фосфид (GaP).
К концу 1960-х годов проводящие свойства GaAs также исследовались как часть солнечных источников энергии для исследования космоса. В 1970 году советская исследовательская группа создала первые гетероструктурные солнечные элементы на основе GaAs.
Критически важный для производства оптоэлектронных устройств и интегральных схем (ИС), спрос на пластины GaAs вырос в конце 1990-е и начало XXI века во взаимосвязи с развитием мобильной связи и альтернативной энергетики технологии.
Неудивительно, что в ответ на этот растущий спрос в период с 2000 по 2011 год мировое производство первичного галлия более чем удвоилось - с примерно 100 метрических тонн в год до более 300 тонн.
Производство:
Среднее содержание галлия в земной коре, по оценкам, составляет около 15 частей на миллион, примерно аналогично литию и встречается чаще, чем вести. Металл, однако, широко рассредоточен и присутствует в нескольких экономически извлекаемых рудных телах.
В настоящее время до 90% всего произведенного первичного галлия извлекается из бокситов во время рафинирования глинозема (Al2O3), предшественника алюминий. Небольшое количество галлия производится в качестве побочного продукта цинк добыча при рафинировании сфалеритовой руды.
Во время процесса Байера по рафинированию алюминиевой руды до оксида алюминия измельченную руду промывают горячим раствором гидроксида натрия (NaOH). Это превращает глинозем в алюминат натрия, который оседает в резервуарах, в то время как щелочь гидроксида натрия, которая теперь содержит галлий, собирается для повторного использования.
Поскольку этот щелок рециркулируется, содержание галлия увеличивается после каждого цикла, пока не достигнет уровня примерно 100-125 частей на миллион. Затем смесь может быть взята и сконцентрирована в виде галлата путем экстракции растворителем с использованием органических хелатообразующих агентов.
В электролитической ванне при температуре 104-140 ° F (40-60 ° C) галлат натрия превращается в нечистый галлий. После промывки кислотой его можно отфильтровать через пористые керамические или стеклянные пластины, чтобы получить 99,9-99,99% металлического галлия.
99,99% является стандартным классом прекурсоров для применений GaAs, но новые применения требуют более высокой чистоты, которая может быть достигнута нагрев металла в вакууме для удаления летучих элементов или электрохимической очистки и фракционной кристаллизации методы.
За последнее десятилетие большая часть мирового производства первичного галлия переместилась в Китай, который сейчас поставляет около 70% мирового галлия. Другие первичные страны-производители включают Украину и Казахстан.
Около 30% годового производства галлия добывается из лома и материалов, пригодных для повторного использования, таких как GaAs-содержащие вафли IC. Большая часть утилизации галлия происходит в Японии, Северной Америке и Европе.
Геологическая служба США По оценкам, в 2011 году было произведено 310 млн т рафинированного галлия.
Крупнейшими мировыми производителями являются Zhuhai Fangyuan, Beijing Jiya Semiconductor Materials и Recapture Metals Ltd.
Приложения:
Когда легированный галлий имеет тенденцию разъедать или делать металлы как стали ломкими. Этот признак, наряду с его чрезвычайно низкой температурой плавления, означает, что галлий мало используется в конструкционных применениях.
В металлическом виде галлий используется в припоях и легкоплавких сплавах, таких как галинстан®, но чаще всего встречается в полупроводниковых материалах.
Основные приложения Галлия можно разделить на пять групп:
1. Полупроводники: на их долю приходится около 70% годового потребления галлия, пластины GaAs являются основой многих современных электронных устройства, такие как смартфоны и другие устройства беспроводной связи, которые полагаются на способность энергосбережения и усиления Микросхемы GaAs.
2. Светоизлучающие диоды (светодиоды): С 2010 года мировой спрос на галлий в секторе светодиодов, как сообщается, удвоился благодаря использованию светодиодов высокой яркости на экранах мобильных и плоских экранов. Глобальный шаг в направлении повышения энергоэффективности также привел к государственной поддержке использования светодиодного освещения над лампами накаливания и компактным флуоресцентным освещением.
3. Солнечная энергия: использование галлия в солнечной энергетике сфокусировано на двух технологиях:
- GaAs концентратор солнечных элементов
- Тонкопленочные солнечные элементы из кадмия-индия-галлия-селенида (CIGS)
Как высокоэффективные фотоэлементы, обе технологии имели успех в специализированных приложений, особенно связанных с аэрокосмической и военной, но все еще сталкиваются с препятствиями для крупномасштабных коммерческое использование.
4. Магнитные материалы: высокая прочность, постоянный магниты являются ключевым компонентом компьютеров, гибридных автомобилей, ветряных турбин и различного другого электронного и автоматизированного оборудования. Небольшие добавки галлия используются в некоторых постоянных магнитах, включая неодимовыйутюг-бор (NdFeB) магниты.
5. Другие приложения:
- Специальные сплавы и припои
- Смачивающие зеркала
- С плутонием в качестве ядерного стабилизатора
- никель-марганецсплав с памятью формы галлия
- Нефтяной катализатор
- Биомедицинские применения, включая фармацевтические препараты (нитрат галлия)
- Люминофоры
- Обнаружение нейтрино
Источники:
Softpedia. История светодиодов (светоизлучающих диодов).
Источник: https://web.archive.org/web/20130325193932/http://gadgets.softpedia.com/news/History-of-LEDs-Light-Emitting-Diodes-1487-01.html
Энтони Джон Даунс, (1993), «Химия алюминия, галлия, индия и таллия». Springer, ISBN 978-0-7514-0103-5
Барратт, Кертис А. «Полупроводники III-V, история применения радиочастот». ECS Trans. 2009, том 19, выпуск 3, страницы 79-84.
Шуберт Э. Фред. Светодиоды. Rensselaer Polytechnic Institute, Нью-Йорк. Май 2003 г.
USGS. Минеральные Товарные Конспекты: Галлий.
Источник: http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/gallium/index.html
SM Report. Металлы побочных продуктов: связь алюминия с галлием.
URL: www.strategic-metal.typepad.com