Μεταλλικό προφίλ: Γάλλιο

Το μεταλλικό μέταλλο που βοηθά τα φώτα των οδηγήσεων να φωτίζουν το φωτεινό

Το γάλλιο είναι ένα διαβρωτικό, αργυρόχρωμο δευτερεύον μέταλλο που λιώνει κοντά στη θερμοκρασία δωματίου και χρησιμοποιείται συχνότερα στην παραγωγή ημιαγώγιμων ενώσεων.

Ιδιότητες:

• Ατομικό σύμβολο: Ga
• Ατομικός αριθμός: 31
• Στοιχείο Κατηγορία: Μετά μεταβατικό μέταλλο
• Πυκνότητα: 5.91 g / cm3 (στους 73 ° F / 23 ° C)
• Σημείο τήξεως: 85,58 ° F (29,76 ° C)
• Σημείο ζέσεως: 3999 ° F (2204 ° C)
• Σκληρότητα του Moh: 1.5

Χαρακτηριστικά:

Το καθαρό γάλλιο είναι ασήμι-λευκό και λιώνει σε θερμοκρασίες κάτω από 85 ° F (29.4 ° C).

Το μέταλλο παραμένει σε λειωμένη κατάσταση μέχρι τους 2204 ° C περίπου, δίνοντάς του τη μεγαλύτερη περιοχή υγρών όλων των μεταλλικών στοιχείων.

Το Gallium είναι ένα από τα λίγα μέταλλα που επεκτείνεται καθώς ψύχεται, αυξάνοντας τον όγκο κατά λίγο περισσότερο από 3%.

Αν και το γάλλιο είναι εύκολα κράματα με άλλα μέταλλα, είναι διαβρωτικό , διαχέεται στο πλέγμα και αποδυναμώνει τα περισσότερα μέταλλα. Το χαμηλό σημείο τήξης του, ωστόσο, το καθιστά χρήσιμο σε ορισμένα κράματα χαμηλής τήξης.

Σε αντίθεση με τον υδράργυρο , ο οποίος είναι επίσης υγρός σε θερμοκρασία δωματίου, το γάλλιο διαβρέχει τόσο το δέρμα όσο και το γυαλί, καθιστώντας πιο δύσκολο το χειρισμό. Το γάλλιο δεν είναι σχεδόν το ίδιο τοξικό με τον υδράργυρο.

Ιστορία:

Ανακαλύφθηκε το 1875 από τον Paul-Emile Lecoq de Boisbaudran κατά την εξέταση των μεταλλευμάτων σφαιρίνης, το γάλλιο δεν χρησιμοποιήθηκε σε καμία εμπορική εφαρμογή μέχρι το τελευταίο μέρος του 20ού αιώνα.

Το Gallium δεν χρησιμεύει ως δομικό μέταλλο, αλλά η αξία του σε πολλές σύγχρονες ηλεκτρονικές συσκευές δεν μπορεί να υποτιμηθεί.

Οι εμπορικές χρήσεις του γαλλίου αναπτύχθηκαν από την αρχική έρευνα σχετικά με τις διόδους εκπομπής φωτός (LED) και την τεχνολογία ημιαγωγών ραδιοσυχνοτήτων III-V (RF), η οποία ξεκίνησε στις αρχές της δεκαετίας του 1950.

Το 1962, η έρευνα του φυσικού JB Gunn του ΙΒΜ στο αρσενίδιο του γαλλίου (GaAs) οδήγησε στην ανακάλυψη ταλάντωσης υψηλής συχνότητας του ηλεκτρικού ρεύματος που διέρχεται από ορισμένα ημιαγώγιμα στερεά - τώρα γνωστό ως «Effect Gunn». Αυτή η ανακάλυψη άνοιξε το δρόμο για την κατασκευή των πρόωρων στρατιωτικών ανιχνευτών με τη χρήση διόδων Gunn (γνωστές και ως συσκευές μεταφοράς ηλεκτρονίων) που έχουν χρησιμοποιηθεί από διάφορες αυτοματοποιημένες συσκευές, από ανιχνευτές ραντάρ αυτοκινήτου και ελεγκτές σημάτων έως ανιχνευτές υγρασίας και συναγερμούς διαρρήξεων.

Τα πρώτα LED και λέιζερ που βασίζονται σε GaAs παράχθηκαν στις αρχές της δεκαετίας του 1960 από ερευνητές της RCA, της GE και της IBM.

Αρχικά, τα LED μπορούσαν να παράγουν μόνο αόρατα υπέρυθρα ακτινοβολία, περιορίζοντας τα φώτα στους αισθητήρες και τις φωτοηλεκτρικές εφαρμογές. Αλλά οι δυνατότητές τους ως ενεργειακά αποδοτικές συμπαγείς πηγές φωτός ήταν εμφανείς.

Στις αρχές της δεκαετίας του 1960, η Texas Instruments άρχισε να προσφέρει εμπορικά LED. Μέχρι τη δεκαετία του 1970, αναπτύχθηκαν σύντομα συστήματα ψηφιακής απεικόνισης, που χρησιμοποιούνται σε ρολόγια και οθόνες αριθμομηχανών, χρησιμοποιώντας συστήματα οπίσθιου φωτισμού LED.

Περαιτέρω έρευνα στη δεκαετία του 1970 και του 1980 είχε ως αποτέλεσμα πιο αποτελεσματικές τεχνικές εναπόθεσης, καθιστώντας την τεχνολογία LED πιο αξιόπιστη και οικονομικά αποδοτική. Η ανάπτυξη ενώσεων ημιαγωγών γαλλίου-αλουμινίου-αρσενικού (GaAlAs) οδήγησε σε LED που ήταν δέκα φορές πιο φωτεινή από την προηγούμενη, ενώ το φάσμα χρωμάτων που ήταν διαθέσιμο για τις LEDs προχώρησε επίσης με βάση τα νέα ημιαγώγιμα υποστρώματα που περιέχουν γάλλιο, νιτρίδιο του γαλλίου (InGaN), φωσφίδιο του γαλλίου-αρσενικού (GaAsP) και φωσφορούχο γάλλιο (GaP).

Μέχρι τα τέλη της δεκαετίας του 1960, οι αγώγιμες ιδιότητες του GaAs ερευνήθηκαν επίσης ως μέρος των πηγών ηλιακής ενέργειας για εξερεύνηση στο διάστημα. Το 1970, μια σοβιετική ερευνητική ομάδα δημιούργησε τα πρώτα ηλιακά κύτταρα ετεροδομής GaAs.

Κρίσιμη για την κατασκευή οπτοηλεκτρονικών συσκευών και ολοκληρωμένων κυκλωμάτων (IC), η ζήτηση για δίσκους GaAs αυξήθηκε στα τέλη της δεκαετίας του 1990 και στις αρχές του 21ου αιώνα σε συσχετισμό με την ανάπτυξη της κινητής επικοινωνίας και των εναλλακτικών τεχνολογιών ενέργειας.

Δεν αποτελεί έκπληξη το γεγονός ότι, ανταποκρινόμενοι στην αυξανόμενη ζήτηση, από το 2000 έως το 2011, η παγκόσμια πρωτογενής παραγωγή γαλλίου υπερδιπλασιάστηκε από περίπου 100 μετρικούς τόνους (MT) ετησίως σε πάνω από 300MT.

Παραγωγή:

Η μέση περιεκτικότητα σε γάλλιο στο φλοιό της γης εκτιμάται ότι είναι περίπου 15 μέρη ανά εκατομμύριο, περίπου παρόμοια με το λίθιο και πιο κοινή από μόλυβδο . Το μέταλλο, ωστόσο, είναι ευρέως διασκορπισμένο και παρών σε λίγα οικονομικά εκχυλίσιμα σώματα μεταλλεύματος.

Το 90% του συνολικού πρωτογενούς γαλλίου που παράγεται εξάγεται επί του παρόντος από το βωξίτη κατά τη διάρκεια του εξευγενισμού της αλουμίνας (Al2O3), προδρόμου του αλουμινίου .

Μικρή ποσότητα γαλλίου παράγεται ως υποπροϊόν της εκχύλισης ψευδαργύρου κατά τη διύλιση του μεταλλεύματος σαλλερίτη.

Κατά τη διάρκεια της διεργασίας Bayer για τον εξευγενισμό αλουμινίου με αλουμίνα, το θρυμματισμένο μετάλλευμα πλένεται με ένα θερμό διάλυμα υδροξειδίου του νατρίου (NaOH). Αυτό μετατρέπει αλουμίνα σε αλουμινικό νάτριο, το οποίο τοποθετείται σε δεξαμενές ενώ το υγρό υδροξειδίου του νατρίου που περιέχει τώρα γάλλιο συλλέγεται για επαναχρησιμοποίηση.

Επειδή αυτό το υγρό ανακυκλώνεται, η περιεκτικότητα σε γάλλιο αυξάνεται μετά από κάθε κύκλο έως ότου φθάσει σε επίπεδο περίπου 100-125ppm. Το μίγμα μπορεί στη συνέχεια να ληφθεί και να συμπυκνωθεί ως γαλλικό άλας μέσω εκχύλισης με διαλύτη χρησιμοποιώντας οργανικούς χηλικούς παράγοντες.

Σε ένα ηλεκτρολυτικό λουτρό σε θερμοκρασίες 104-140 ° F (40-60 ° C), το γαλλικό νάτριο μετατρέπεται σε ακάθαρτο γάλλιο. Μετά από έκπλυση σε οξύ, αυτό μπορεί στη συνέχεια να διηθηθεί μέσω πορωδών κεραμικών ή γυάλινων πλακών για να δημιουργηθεί μέταλλο γαλλίου 99,9-99,99%.

Το 99,99% είναι ο πρότυπος βαθμός προδρόμου για τις εφαρμογές GaAs, αλλά νέες χρήσεις απαιτούν υψηλότερες καθαρότητες που μπορούν να επιτευχθούν με θέρμανση του μετάλλου υπό κενό για να απομακρυνθούν τα πτητικά στοιχεία ή οι μέθοδοι ηλεκτροχημικού καθαρισμού και κλασματικής κρυστάλλωσης.

Κατά τη διάρκεια της τελευταίας δεκαετίας, μεγάλο μέρος της πρωτογενούς παραγωγής γαλλίου στον κόσμο μεταφέρθηκε στην Κίνα, η οποία τώρα προμηθεύει περίπου το 70% του γαλλίου του κόσμου. Άλλες πρωτογενείς χώρες παραγωγής περιλαμβάνουν την Ουκρανία και το Καζακστάν.

Περίπου το 30% της ετήσιας παραγωγής γαλλίου εξάγεται από θραύσματα και ανακυκλώσιμα υλικά, όπως τα δισκία IC που περιέχουν GaAs. Οι περισσότερες ανακύκλωση γαλλίου συμβαίνει στην Ιαπωνία, τη Βόρεια Αμερική και την Ευρώπη.

Η Αμερικανική Γεωλογική Έρευνα εκτιμά ότι το 2011 έχει παραχθεί 310MT καθαρισμένου γαλλίου.

Οι μεγαλύτεροι παραγωγοί στον κόσμο περιλαμβάνουν τον Zhuhai Fangyuan, τα υλικά Jiya Semiconductor του Πεκίνου και την Recapture Metals Ltd.

Εφαρμογές:

Όταν το κράμα γαλλίου τείνει να διαβρώσει ή να κάνει τα μέταλλα όπως το χάλυβα εύθραυστο. Αυτό το χαρακτηριστικό, μαζί με την εξαιρετικά χαμηλή θερμοκρασία τήξης, σημαίνει ότι το γάλλιο δεν έχει μεγάλη χρησιμότητα σε δομικές εφαρμογές.

Στη μεταλλική του μορφή, το γάλλιο χρησιμοποιείται σε συγκολλητικά και χαμηλής τήξης κράματα, όπως το Galinstan® , αλλά απαντάται συχνότερα σε υλικά ημιαγωγών.

Οι κύριες εφαρμογές του Gallium μπορούν να κατηγοριοποιηθούν σε πέντε ομάδες:

1. Ημιαγωγοί: Το λογισμικό για το 70% περίπου της ετήσιας κατανάλωσης γαλλίου, τα GaAs wafers αποτελούν τη ραχοκοκαλιά πολλών σύγχρονων ηλεκτρονικών συσκευών, όπως smartphones και άλλες συσκευές ασύρματης επικοινωνίας που βασίζονται στην εξοικονόμηση ενέργειας και στην ικανότητα ενίσχυσης των ICA GaAs.

2. Δίοδοι εκπομπής φωτός: Από το 2010, η παγκόσμια ζήτηση για γάλλιο από τον τομέα των LED έχει διπλασιαστεί, λόγω της χρήσης LED υψηλής φωτεινότητας σε οθόνες κινητής και επίπεδης οθόνης. Η παγκόσμια τάση προς μεγαλύτερη ενεργειακή απόδοση έχει επίσης οδηγήσει σε κυβερνητική υποστήριξη για τη χρήση του φωτισμού LED σε λαμπτήρες πυρακτώσεως και συμπαγούς φωτισμού.

3. Ηλιακή ενέργεια: Η χρήση του Gallium στην ηλιακή ενέργεια επικεντρώνεται σε δύο τεχνολογίες:

• GaAs συγκεντρωτικά ηλιακά κύτταρα
• Κάμινιο-ίνδιο-γάλλιο-σεληνίδιο (CIGS) λεπτό φιλμ ηλιακά κύτταρα

Ως υψηλής απόδοσης φωτοβολταϊκά κύτταρα, και οι δύο τεχνολογίες έχουν επιτυχία σε εξειδικευμένες εφαρμογές, οι οποίες σχετίζονται ιδιαίτερα με την αεροδιαστημική και τη στρατιωτική, αλλά εξακολουθούν να αντιμετωπίζουν φραγμούς σε εμπορική χρήση μεγάλης κλίμακας.

4. Μαγνητικά υλικά: Οι μόνιμοι μαγνήτες υψηλής αντοχής αποτελούν βασικό στοιχείο των ηλεκτρονικών υπολογιστών, των υβριδικών αυτοκινήτων, των ανεμογεννητριών και των διαφόρων άλλων ηλεκτρονικών και αυτοματοποιημένων συσκευών. Μικρές προσθήκες γαλλίου χρησιμοποιούνται σε ορισμένους μόνιμους μαγνήτες, συμπεριλαμβανομένων μαγνητών νεοδυμίου- σιδήρου - βορίου (NdFeB).

5. Άλλες εφαρμογές:

• Ειδικά κράματα και συγκολλητικά
• Καθαρισμός καθρεφτών
• Με πλουτώνιο ως πυρηνικό σταθεροποιητή
• Κράμα μνήμης σχήματος νικελίου - μαγγανίου- γαλλιού
• Καταλύτης πετρελαίου
• Βιοϊατρικές εφαρμογές, συμπεριλαμβανομένων των φαρμακευτικών προϊόντων (νιτρικό γάλλιο)
• Φωσφορείς
• Ανίχνευση ουδετεροπενίας

_Πηγές:

_{Softpedia. Ιστορία των LED (Δίοδοι εκπομπής φωτός).}

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

_{Anthony John Downs, (1993), "Χημεία αλουμινίου, γαλλίου, ινδίου και θάλλιου". Springer, ISBN 978-0-7514-0103-5}

_{Barratt, Curtis Α. "III-V Semiconductors, μια Ιστορία σε Εφαρμογές RF." ECS Trans . 2009, Τόμος 19, Τεύχος 3, Σελίδες 79-84.}

_{Schubert, Ε. Fred. Δίοδοι εκπομπής φωτός . Rensselaer Polytechnic Institute, Νέα Υόρκη. Μάιος 2003.}

_{USGS. Περιλήψεις ορυκτών εμπορευμάτων: Gallium.}

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

_{SM Report. Μέταλλα παραπροϊόντων: Η σχέση αργιλίου-γαλλίου .}

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