Metalprofil: Gallium og LED-lys

Gallium er et ætsende, sølvfarvet mindre metal, der smelter nær stuetemperatur og bruges ofte til fremstilling af halvlederforbindelser.

• Atomisk symbol: Ga
• Atomnummer: 31
• Elementskategori: Metal efter overgang
• Densitet: 5,91 g / cm³ (ved 73 ° F / 23 ° C)
• Smeltepunkt: 29,76 ° C (85,58 ° F)
• Kogepunkt: 22099 ° F (2204 ° C)
• Moh's hårdhed: 1,5

Ren gallium er sølvhvid og smelter ved temperaturer under 29,4 ° C. Metallet forbliver i en smeltet tilstand op til næsten 4000 ° F (2204 ° C), hvilket giver det det største væskeområde af alle metalelementer.

Gallium er et af kun nogle få metaller, der ekspanderer, når det afkøler, og stiger i volumen med lidt over 3%.

Selvom gallium let legeres med andre metaller, er det det ætsende, diffunderer ind i gitteret og svækker de fleste metaller. Dets lave smeltepunkt gør det imidlertid nyttigt i visse lavsmeltslegeringer.

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

Gallium blev opdaget i 1875 af Paul-Emile Lecoq de Boisbaudran under undersøgelse af sfæralermalm og blev ikke brugt i kommercielle anvendelser før i den sidste del af det 20. århundrede.

Gallium er af ringe anvendelse som strukturelt metal, men dets værdi i mange moderne elektroniske apparater kan ikke undervurderes.

Kommerciel anvendelse af gallium udviklet fra den første forskning i lysemitterende dioder (LED'er) og III-V radiofrekvens (RF) halvlederteknologi, der begyndte i begyndelsen af ​​1950'erne.

I 1962 førte IBM-fysiker J.B. Gunns undersøgelse af galliumarsenid (GaA'er) til opdagelsen af ​​højfrekvensoscillation af den elektriske strøm, der strømmer gennem visse halvledende faste stoffer - nu kendt som 'Gunn Effect'. Dette gennembrud banede vejen for, at tidlige militære detektorer kunne konstrueres ved hjælp af Gunn-dioder (også kendt som overføre elektroniske enheder), der siden er blevet brugt i forskellige automatiserede enheder, fra bilradardetektorer og signalregulatorer til fugtighedsdetektorer og indbrudstyv alarmer.

De første lysdioder og lasere, der er baseret på GaA'er, blev produceret i de tidlige 1960'ere af forskere ved RCA, GE og IBM.

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

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

Yderligere forskning i 1970'erne og 1980'erne resulterede i mere effektive deponeringsteknikker, hvilket gjorde LED-teknologi mere pålidelig og omkostningseffektiv. Udviklingen af ​​gallium-aluminium-arsen (GaAlAs) halvlederforbindelser resulterede i lysdioder, der var ti gange lysere end tidligere, mens det farvespektrum, der var tilgængeligt for LEDer også avanceret baseret på nye, galliumholdige halvledende substrater, såsom indium-gallium-nitrid (InGaN), gallium-arsenid-phosphide (GaAsP) og gallium-phosphide (GaP).

I slutningen af ​​1960'erne blev GaAs ledende egenskaber også undersøgt som en del af solenergikilder til rumforskning. I 1970 oprettede et sovjetisk forskerteam de første GaAs-heterostruktur solceller.

Kritisk for fremstilling af optoelektroniske enheder og integrerede kredsløb (IC'er) steg efterspørgslen efter GaAs-skiver sent på sent 1990'erne og begyndelsen af ​​det 21. århundrede i forbindelse med udviklingen af ​​mobil kommunikation og alternativ energi teknologier.

Ikke overraskende svarede denne stigende efterspørgsel mellem 2000 og 2011 den globale primære galliumproduktion mere end det dobbelte fra ca. 100 tons pr. År til over 300 MT.

Det gennemsnitlige galliumindhold i jordskorpen anslås til at være omkring 15 dele pr. Million, omtrent lig med lithium og mere almindeligt end at føre. Metallet er imidlertid vidt spredt og findes i få økonomiske ekstraherbare malmlegemer.

Så meget som 90% af alt produceret primært gallium ekstraheres i øjeblikket fra bauxit under raffinering af aluminiumoxid (Al2O3), en forløber for aluminium. En lille mængde gallium produceres som et biprodukt af zink ekstraktion under raffinering af sfaleritmalm.

Under Bayer-processen med raffinering af aluminiummalm til aluminiumoxid vaskes knust malm med en varm opløsning af natriumhydroxid (NaOH). Dette omdanner aluminiumoxid til natriumaluminat, der sættes ned i tanke, mens den natriumhydroxidvæske, der nu indeholder gallium, opsamles til genbrug.

Da denne væske genanvendes, øges 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 40-60 ° C (104-140 ° F) omdannes natriumgallat til uren gallium. Efter vask i syre kan dette derefter filtreres gennem porøs keramik- eller glasplader til dannelse af 99,9-99,99% galliummetal.

99,99% er standardforløberklassen for GaAs-applikationer, men nye anvendelser kræver højere renhed, som kan opnås ved opvarmning af metallet under vakuum for at fjerne flygtige elementer eller elektrokemisk oprensning og fraktioneret krystallisation metoder.

I løbet af det sidste årti er meget af verdens primære galliumproduktion flyttet til Kina, der nu leverer ca. 70% af verdens gallium. Andre primærproducerende nationer inkluderer Ukraine og Kasakhstan.

Cirka 30% af den årlige galliumproduktion ekstraheres fra skrot og genanvendelige materialer, såsom GaAs-holdige IC-skiver. De fleste galliumgenbrug finder sted i Japan, Nordamerika og Europa.

Det US Geological Survey estimerer, at der blev produceret 310MT raffineret gallium i 2011.

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

Når legeret gallium har tendens til at korrodere eller fremstille metaller som stål skør. Denne egenskab sammen med sin ekstremt lave smeltetemperatur betyder, at gallium er til ringe anvendelse i strukturelle anvendelser.

I sin metalliske form bruges gallium i sælgere og lavsmeltelegeringer, såsom Galinstan®, men det findes oftest i halvledermaterialer.

Galliums vigtigste applikationer kan kategoriseres i fem grupper:

1. Halvledere: tegner sig for cirka 70% af det årlige galliumforbrug, GaAs-skiver er rygraden i mange moderne elektroniske enheder, såsom smartphones og andre trådløse kommunikationsenheder, der er afhængige af strømbesparelses- og forstærkningsevnen GaAs IC'er.

2. Lysemitterende dioder (LED'er): Siden 2010 er den globale efterspørgsel efter gallium fra LED-sektoren efter sigende fordoblet på grund af brugen af ​​lysdioder med høj lysstyrke i mobil- og fladskærmsskærme. Den globale bevægelse mod større energieffektivitet har også ført til statlig støtte til brugen af ​​LED-belysning over glødende og kompakt lysstofrør.

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

• GaAs koncentrator solceller
• Cadmium-indium-gallium-selenide (CIGS) tyndfilms solceller

Som meget effektive fotovoltaiske celler har begge teknologier haft succes med at specialisere sig applikationer, især relateret til rumfart og militær, men stadig står over for barrierer i stor skala kommerciel brug.

4. Magnetiske materialer: Høj styrke, permanent magneter er en nøglekomponent i computere, hybridbiler, vindmøller og diverse andet elektronisk og automatiseret udstyr. Små tilsætninger af gallium anvendes i nogle permanente magneter, inklusive neodym-jern-bor (NdFeB) magneter.

5. Andre anvendelser:

• Speciallegeringer og sælgere
• Fugtningsspejle
• Med plutonium som kernestabilisator
• Nikkel-mangan-galliumhukommelseslegering
• Petroleumskatalysator
• Biomedicinske anvendelser, herunder lægemidler (galliumnitrat)
• fosforfarver
• Neutrino-detektion

_Kilder:

_{Softpedia. Historie om LED'er (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 halvledere, en historie inden for RF-applikationer." ECS Trans. 2009, bind 19, udgave 3, side 79-84.}

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

_{USGS. Mineral råvaresammendrag: Gallium.}

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

_{SM-rapport. Biproduktmetaller: Forholdet mellem aluminium og gallium.}

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