Väike metall, mis aitab LED tuled säravad
Omadused:
- Atomic Symbol: Ga
- Atomic Number: 31
- Element Category: Post-transition metal
- Tihedus: 5,91 g / cm³ (temperatuuril 73 ° F / 23 ° C)
- Sulamistemperatuur: 85,58 ° F (29,76 ° C)
- Keemispunkt: 3999 ° F (2204 ° C)
- Mohi kõvadus: 1.5
Omadused:
Puhas gallium on hõbedane-valge ja sulab temperatuuril alla 85 ° F (29,4 ° C).
Metall jääb sulatatud olekus kuni peaaegu 4000 ° F (2204 ° C), mis annab suurima vedeliku kõik metallelemendid.
Gallium on üks vähestest metallidest, mis jahtub, suurendades mahtu veidi üle 3%.
Kuigi gallium hõlpsalt sulamid muude metallidega, see on söövitav , levib lattu ja nõrgestab enamuse metallide. Kuid selle madal sulamistemperatuur muudab selle kasulikuks teatud sulatatud sulamite puhul.
Erinevalt elavhõbedast , mis on ka toatemperatuuril vedel, on gallium nii naha kui ka klaasi, mis muudab selle töötlemise keerukamaks. Gallium ei ole peaaegu sama mürgine kui elavhõbe.
Ajalugu:
1875. aastal, mille Paul-Emile Lecoq de Boisbaudran avastas sphaleriitmaakide uurimisel, ei kasutata galliumi kaubanduslikes rakendustes kuni 20. sajandi lõpust.
Gallium pole konstruktiivse metallina kasulik, kuid selle paljudes kaasaegsetes elektroonikaseadmetes väärtust ei saa alahinnata.
Gallium kommertslik kasutamine, mis on saadud 1950. aastate alguses esialgsest uuringust valguse leviva dioodi (LED) ja III-V raadiosagedusliku (RF) pooljuhttehnoloogia kohta.
1962. aastal viis IBM füsiist JB Gunni galliiarseeniidi (GaAs) uurimuseni teada, et teatavates pooljuhtmaterjalides tekib elektrivool, mis on nüüd tuntud kui "Gunni efekt", kõrge sagedusega võnkumine. See läbimurre sillutas teed varajaste sõjaliste detektorite ehitamiseks, kasutades Gunni dioode (tuntud ka kui ülekande elektronseadmeid), mida on seni kasutatud mitmesugustes automatiseeritud seadmetes, alates auto radari detektoritest ja signaalikontrolleritest niiskusesiseseadetesse ja sissemurdmiskorda.
GaAsil põhinevad esimesed valgusdioodid ja laserid valmistati 1960. aastate algul RCA, GE ja IBMi teadlaste poolt.
Esialgu olid LED-id suutelised tootma ainult nähtamatuid infrapunavalgustundeid, andurite valgustust ja fotoelektrilisi rakendusi. Kuid nende potentsiaal energiatõhusate kompaktsete valgusallikatena oli ilmne.
1960. aastate alguses hakkas Texas Instruments pakkuma LED-sid kaubanduslikult. 1970ndate aastatega töötati välja varajased digitaalsed kuva süsteemid, mida kasutati kellade ja kalkulaatori näidikutes, kasutades LED taustvalgustussüsteeme.
1970ndatel ja 1980ndatel tehtud täiendavad uuringud viisid efektiivsemalt sadestamistehnikaid, muutes LED-tehnoloogia usaldusväärsemaks ja kulutõhusamaks. Gaalli-alumiinium-arseeni (GaAlA) pooljuhtühendite väljatöötamine tõi kaasa valgusdioodid, mis olid kümme korda heledamad kui eelmised, samas kui LED-idele saadaval olev värvispektriarendus tugineb ka uutele gallium-sisaldavatele pooljuhtivatele substraatidele nagu indium -galliumnitriid (InGaN), gallium-arsiiidi-fosfiid (GaAsP) ja gallium-fosfiid (GaP).
1960. aastate lõpuks uuriti GaAsi elektrit juhtivaid omadusi kosmoseuuringute päikeseenergiaallikate osana. 1970. aastal asutas nõukogude uurimisrühm esimese GaAs-i heterostruktuuriga päikeseelementide.
Optoelektrooniliste seadmete ja integraallülituste (IC) tootmiseks on kriitilise tähtsusega nõudlus GaAsvahvrite järele 1990. aastate lõpus ja 21. sajandi alguses seoses mobiilside ja alternatiivsete energiatehnoloogiate arendamisega.
Pole üllatav, et vastuseks sellele kasvavale nõudlusele on aastatel 2000-2011 ülemaailmne esmase galliumisisalduse tootmine enam kui kaks korda suurem kui umbes 100 tonni aastas (üle 300 miljoni tonni).
Tootmine:
Keskmise galliumi sisaldus maakoores on hinnanguliselt umbes 15 miljondikosa, ligikaudu sarnane liitiumiga ja tavalisem kui plii . Metall on aga laialdaselt hajutatud ja esineb väheste majanduslikult ekstraheeritavate maagistes kehaosades.
Alumiiniumi lähteainena (Al2O3) rafineerimisel ekstraheeritakse praegu enam kui 90% kogu toodetud esmasest galliumist boksiidist.
Sfaleriidi maagi rafineerimise käigus toodetakse tsingi ekstraheerimise kõrvalsaadusena väikest kogust galliumi.
Bayeri protsessi käigus alumiiniumiraami ja alumiiniumoksiidi rafineerimise protsessi pestud maagid pestakse naatriumhüdroksiidi (NaOH) kuuma lahusega. See muudab alumiiniumoksiidi naatriumaluminaadiks, mis asetub mahutidesse, samal ajal kui nüüd kogus galliumi sisaldavat naatriumhüdroksiidi vedelikku taaskasutamiseks.
Kuna see vedelik taaskasutatakse, tõuseb galli sisaldus pärast iga tsüklit, kuni see saavutab umbes 100-125 ppm taseme. Segu võib seejärel võtta ja kontsentreerida gallaati lahustiekstraktsiooni teel, kasutades orgaanilisi kelaativaid aineid.
Elektrolüütilise vanni temperatuuril 104-140 ° F (40-60 ° C) muudetakse naatriumgalaati puhtale galliumile. Pärast happega pesemist saab seda filtreerida läbi poorsete keraamiliste või klaasplaatide, et tekitada 99,9-99,99% galliumiummetalli.
GaAsrakenduste puhul on standardainelisandiks 99,99%, kuid uued kasutusalad nõuavad kõrgemat puhtust, mida saab saavutada vaakumis metalli kuumutamisega, et eemaldada lenduvaid elemente või elektrokeemilist puhastust ja fraktsioneerivaid kristallimismeetodeid.
Viimase kümne aasta jooksul on suur osa maailma esmastest galliumitoodangust kolinud Hiinasse, kes praegu varustab umbes 70% maailma galliumi. Teised primaarsed tootvad riigid on Ukraina ja Kasahstan.
Ligikaudu 30% aastasest galliinisisaldusest saadakse jäägidest ja ringlussevõetavatest materjalidest, näiteks GaAs-sisaldavatest IC-plaatidest. Enamik galliumi ringlussevõttu toimub Jaapanis, Põhja-Ameerikas ja Euroopas.
USA geoloogilise uuringu andmetel valmistati 2011. aastal 310 miljonit rafineeritud galliumi.
Maailma suurimad tootjad on Zhuhai Fangyuan, Peking Jiya Semiconductor Materjalid ja Recapture Metals Ltd.
Rakendused:
Kui legeeritud gallium kaldab korrodeerima või valmistama selliseid metalle nagu terasest rabedad. See tunnus koos selle äärmiselt madala sulamistemperatuuriga tähendab seda, et gallium pole struktuurilises kasutuses vähe kasulik.
Metalli kujul kasutatakse galliumi sulamitesse ja sulanud sulamitest, näiteks Galinstan® , kuid seda leiab enamasti pooljuhtmaterjalidest.
Gaaliumi peamisi rakendusi saab jagada viide rühma:
1. Pooljuhid. GaAsvahvrite arv on ligikaudu 70% aastas galli tarbimise arvestuses paljude kaasaegsete elektrooniliste seadmete, näiteks nutitelefonide ja muude traadita side seadmete, mis tuginevad GaAs-i süsteemide energiasäästmisele ja võimendamisvõimele, selgroog.
2. Valgusdioodid (LED-id). Alates 2010. aastast on LED-sektori kogu galliumi nõudlus kahekordistunud, kuna mobiil- ja lameekraanil on suured eredusvalgusdioodid. Ülemaailmne liikumine suurema energiatõhususe suunas on toonud kaasa valitsuse toetuse LED-valgustite kasutamisele hõõguvate ja kompaktluminofoorlampide valguses.
3. Päikeseenergia: galliumi kasutamine päikeseenergia rakendustes keskendub kahele tehnoloogiale:
- GaAs-kontsentraatori päikesepatareid
- Kaadmiumi-indiumi-gallium-seleniidi (CIGS) õhukese kihi päikesepatareid
Väga tõhusate fotogalvaaniliste rakkudega on mõlemad tehnoloogiad olnud edukad spetsiaalsetes rakendustes, mis on seotud eelkõige kosmosetööstuse ja sõjaliste vahenditega, kuid mis ikkagi seisavad silmitsi takistustega ulatuslikul kaubanduslikul otstarbel.
4. Magnetilised materjalid: suure tugevusega püsimagnetid on arvutite, hübriid-autode, tuuleturbiinide ja mitmesuguste muude elektrooniliste ja automatiseeritud seadmete põhikomponent. Mõnda püsimagnetist, sealhulgas neodüüm- raud - boori (NdFeB) magnetid, kasutatakse väikesi galliumi lisandeid.
5. Muud rakendused:
- Spetsiaalsed sulamid ja joodised
- Niisutavad peeglid
- Plutooniumi kui tuuma stabilisaatorit
- Nikkel - mangaan - galiumikujuline mälu sulam
- Nafta katalüsaator
- Biomeditsiinilised rakendused, sealhulgas farmaatsiatooted (galliumnitraat)
- Fosforid
- Neutrino avastamine
Allikad:
Softpedia. Valgusdioodide ajalugu (valgusdioodid).
Allikas: https://web.archive.org/web/20130325193932/http://gadgets.softpedia.com/news/History-of-LEDs-Light-Emitting-Diodes-1487-01.html
Anthony John Downs (1993), "Alumiiniumi, galliumi, indiumi ja talliumi keemia". Springer, ISBN 978-0-7514-0103-5
Barratt, Curtis A. "III-V pooljuhid, ajalugu RF rakendustes." ECS Trans . 2009, 19. köide, 3. väljaanne, lk 79-84.
Schubert, E. Fred. Valgusdioodid . Rensselaer Polütehniline Instituut, New York. Mai 2003.
USGS Mineraaltoote kokkuvõtted: Gallium.
Allikas: http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/gallium/index.html
SM aruanne. Kõrvaltoimega metallid: alumiiniumi ja galliumi seos .
URL: www.strategic-metal.typepad.com