Metallprofil: Gallium

Gallium er et korrosivt, sølvfarget, mindre metall som smelter nær romtemperatur og brukes hyppigst i produksjonen av halvlederforbindelser.

Egenskaper:

• Atomisk symbol: Ga
• Atomisk nummer: 31
• Element Kategori: Etter overgangsmetall
• Tetthet: 5. 91 g / cm³ (ved 73 ° F / 23 ° C)
• Smeltepunkt: 85. 58 ° F (29 76 ° C)
• Kokepunkt: 3999 ° F (2204 ° C)
• Mohs hardhet: 1. 5

Kjennetegn:

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

Metallet forblir i smeltet tilstand opp til nesten 4000 ° F (2204 ° C), noe som gir den det største væskeområdet for alle metallelementer.

Gallium er en av bare noen få metaller som utvides etter hvert som den avkjøles, og øker i volum med litt over 3%.

Selv om gallium lett legerer med andre metaller, er det etsende, diffusere inn i gitteret og svekkingen, de fleste metaller. Det lave smeltepunktet gjør det imidlertid nyttig i visse smelte legeringer.

I motsetning til kvikksølv, som også er flytende ved romtemperatur, briller gallium både hud og glass, noe som gjør det vanskeligere å håndtere. Likevel er gallium ikke så giftig som kvikksølv.

Historie:

Gallium ble oppdaget i 1875 av Paul-Emile Lecoq de Boisbaudran mens han studerte sphalerittmalm, og ble ikke brukt i noen kommersielle applikasjoner til den siste delen av det 20. århundre.

Gallium er lite brukt som et strukturelt metall, men verdien i mange moderne elektroniske enheter kan ikke undervurderes.

Kommersiell bruk av gallium utviklet fra den første undersøkelsen på lysdioder (LED) og III-V radiofrekvens (RF) halvlederteknologi, som begynte tidlig på 1950-tallet.

I 1962 førte IBM fysikeren J. B. Gunns forskning på galliumarsenid (GaAs) til oppdagelsen av høyfrekvent oscillasjon av den elektriske strømmen som strømmer gjennom visse halvledende faste stoffer - nå kjent som "Gunn Effect".

Dette gjennombruddet banet vei for tidlig militære detektorer å bli konstruert ved hjelp av Gunn-dioder (også kjent som overføringselektronenheter) som siden har blitt brukt i ulike automatiserte enheter, fra bilraddardetektorer og signalstyrere til fuktighetsdetektorer og innbruddsalarmer .

De første lysdioder og lasere basert på GaAs ble produsert tidlig på 1960-tallet av forskere ved RCA, GE og IBM.

Først var det kun lysdioder som kunne produsere usynlige infrarøde lysbølger, begrense lysene til sensoren og foto-elektroniske applikasjoner. Men deres potensial som energieffektive kompakte lyskilder var tydelig.

I begynnelsen av 1960-tallet begynte Texas Instruments å tilby LED-er kommersielt. Ved 1970-tallet ble tidlig digitale displaysystemer, som ble brukt i klokker og kalkulator-displayer, utviklet raskt ved hjelp av LED-bakgrunnsbelysningssystemer.

Ytterligere forskning på 1970- og 1980-tallet resulterte i mer effektive deponeringsteknikker, noe som gjorde LED-teknologien mer pålitelig og kostnadseffektiv. Utviklingen av halvlederforbindelser av gallium-aluminium-arsenik (GaAlAs) resulterte i lysdioder som var ti ganger lysere enn tidligere, mens fargespektret tilgjengelig for lysdioder også avansert basert på nye, galliumholdige halvledende substrater, som indium- galliumnitrid (InGaN), gallium-arsenidfosfid (GaAsP) og galliumfosfid (GaP).

Ved slutten av 1960-tallet ble også GaAs ledende egenskaper undersøkt som en del av solenergikilder for romforskning. I 1970 opprettet et sovjetisk forskerteam de første GaAs-heterostrukturenes solceller.

Kritisk til produksjon av optoelektroniske enheter og integrerte kretser (ICs) økte etterspørselen etter GaAs-wafers i slutten av 1990-tallet og begynnelsen av det 21. århundre i sammenheng med utviklingen av mobilkommunikasjon og alternative energiteknologier.

Ikke overraskende, på grunn av denne økende etterspørselen, er global primær galliumproduksjon mellom 2000 og 2011 mer enn dobbel fra ca. 100 tonn per år til over 300 MT.

Produksjon:

Det gjennomsnittlige galliuminnholdet i jordskorpen er beregnet til å være om lag 15 deler per million, omtrent lik litium og mer vanlig enn bly.

Metallet er imidlertid vidt spredt og til stede i få økonomisk ekstraherbare malmlegemer.

Så mye som 90% av alt primær gallium produsert blir for tiden ekstrahert fra bauxitt under raffinering av aluminiumoksyd (Al2O3), en forløper til aluminium. En liten mengde gallium er produsert som et biprodukt av sinkutvinning under raffinering av sphalerittmalm.

Under Bayer-prosessen med raffinering av aluminiummalm til aluminiumoksyd vaskes knust malm med en varm oppløsning av natriumhydroksyd (NaOH). Dette omdanner aluminiumoksyd til natriumaluminat, som settes i tanker mens natriumhydroksydvæsken som nå inneholder gallium, samles inn for gjenbruk.

Fordi denne brenneren resirkuleres, øker galliuminnholdet etter hver syklus til det når et nivå på ca. 100-125 ppm. Blandingen kan da tas og konsentreres som gallat via løsningsmiddelekstraksjon ved anvendelse av organiske chelateringsmidler.

I et elektrolytisk bad ved temperaturer på 104-140 ° F (40-60 ° C) omdannes natriumgalleat til uren gallium. Etter vask i syre kan dette filtreres gjennom porøse keramiske eller glassplater for å skape 99. 9-99. 99% galliummetall.

99. 99% er standard forløperklasse for GaAs-applikasjoner, men nye bruksområder krever høyere renheter som kan oppnås ved oppvarming av metallet under vakuum for å fjerne flyktige elementer eller elektrokjemisk rensing og fraksjonelle krystallisasjonsmetoder.

Over det siste tiåret har mye av verdens primære galliumproduksjon flyttet til Kina, som nå leverer ca 70% av verdens gallium. Andre primærproducerende nasjoner inkluderer Ukraina og Kasakhstan.

Omtrent 30% av årlig galliumproduksjon er ekstrahert fra skrap og resirkulerbare materialer som GaAs-holdige IC-wafers.Mest gjenvinning av gallium forekommer i Japan, Nord-Amerika og Europa.

Den amerikanske geologiske undersøkelsen anslår at 310MT av raffinert gallium ble produsert i 2011.

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

Anvendelser:

Når legert gallium har en tendens til å korrodere eller lage metaller som stålskør. Denne egenskapen, sammen med den ekstremt lave smeltetemperaturen, betyr at gallium er lite brukt i strukturelle applikasjoner.

I metallisk form brukes gallium i soldere og smelte legeringer, for eksempel Galinstan®, men er oftest funnet i halvledermaterialer.

Galliums hovedapplikasjoner kan kategoriseres i 5 grupper:

1. Halvledere: Regnskap for ca 70% av det årlige galliumforbruket, GaAs-wafers er ryggraden i mange moderne elektroniske enheter, for eksempel smarttelefoner og andre trådløse kommunikasjonsenheter som stole på energisparings-og forsterkningsevnen til GaAs ICs.

2. Lysdioder (LED): Siden 2010 har global etterspørsel etter gallium fra LED-sektoren etter hvert blitt doblet, på grunn av bruk av lysstyrke med høy lysstyrke i mobile og flatskjerm-skjermer. Det globale tiltaket mot større energieffektivitet har også ført til statlig støtte til bruk av LED-belysning over glødelamper og kompakt fluorescerende belysning.

3. Solenergi: Galliums bruk i solenergi-applikasjoner er fokusert på to teknologier:

• GaAs-konsentrator-solceller
• Kadmium-indium-gallium-selenid (CIGS) tynnfilm solceller

Som høyeffektive solcelleceller, begge teknologier har hatt suksess i spesialiserte applikasjoner, særlig relatert til luftfart og militære, men fortsatt ansiktsbarrierer for storskala kommersiell bruk.

4. Magnetiske materialer: Høy styrke, permanente magneter er en nøkkelkomponent i datamaskiner, hybridbiler, vindturbiner og diverse annet elektronisk og automatisert utstyr. Små tillegg av gallium brukes i noen permanente magneter, inkludert magneter av neodym-jern-bor (NdFeB).

5. Andre anvendelser:

• Spesiallegeringer og soldater
• Fuktighetsspeil
• Med plutonium som et nukleært stabilisator
• Nikkel-mangan-gallium formminne legering
• Petroleumskatalysator
• Biomedisinske applikasjoner, inkludert legemidler (gallium nitrat)
• Fosforer
• Neutrino deteksjon

_Kilder:

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

_{Kilde: // web. arkivet. org / web / 20130325193932 / // gadgets. Softpedia. com / nyheter / Historie-of-LED-Light-Emitting-Diodes-1487-1401. html}

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

_{Barratt, Curtis A. "III-V halvledere, en historie i RF-applikasjoner". ECS Trans . 2009, Volum 19, Utgave 3, Sider 79-84.}

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

_{USGS. Mineral Commodity Summaries: Gallium.}

_{Kilde: // mineraler. USGS. gov / mineraler / puber / vare / gallium / index. html}

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

_{URL: www. strategisk metall. TypePad. no}