Metalo profilis: Gallium ir LED žibintai

Galliumas yra ėsdinantis, sidabrinės spalvos mažas metalas, kuris lydosi kambario temperatūroje ir dažniausiai naudojamas gaminant puslaidininkinius junginius.

• Atominis simbolis: Ga
• Atominis skaičius: 31
• Elemento kategorija: metalas po pereinamojo laikotarpio
• Tankis: 5,91 g / cm³ (esant 23 ° C temperatūrai)
• Lydymosi temperatūra: 29,76 ° C (85,58 ° F).
• Virimo temperatūra: 2204 ° C (3999 ° F)
• Moho kietumas: 1.5

Grynasis gallis yra sidabriškai baltas ir tirpsta esant žemesnei nei 29,4 ° C temperatūrai. Metalas ištirpsta iki 2204 ° C (beveik 4000 ° F), suteikdamas didžiausią skysčių diapazoną iš visų metalinių elementų.

Galliumas yra vienas iš nedaugelio metalų, kuris aušdamas plečiasi, jo tūris padidėja šiek tiek daugiau nei 3%.

Nors galis lengvai lydosi su kitais metalais, jis yra ėsdinantis, difunduojantis į daugelį metalų grotelių ir silpninantis. Tačiau dėl žemos lydymosi temperatūros jis yra naudingas tam tikruose lydiniuose, kuriuose yra mažai lydymosi.

Priešingai nei

1875 m. Paulo Emilio Lecoqo de Boisbaudrano atrastas tiriant sfalerito rūdas, galis nebuvo naudojamas jokiuose komerciniuose tiksluose iki pat paskutinės XX a.

Galliumas yra mažai naudingas kaip struktūrinis metalas, tačiau jo vertė daugelyje šiuolaikinių elektroninių prietaisų negali būti neįvertinta.

Komercinis galio panaudojimas buvo išplėtotas pradiniuose šviesos diodų (LED) ir III-V radijo dažnio (RF) puslaidininkių technologijos tyrimuose, kurie buvo pradėti praėjusio amžiaus šeštojo dešimtmečio pradžioje.

1962 m. IBM fiziko J. B. Gunno atlikti tyrimai dėl galio arsenido (GaAs) leido atrasti aukšto dažnio elektros srovės, tekančios per tam tikras puslaidininkinės kietosios medžiagos - dabar žinomos kaip „Gunn Effect“. Šis proveržis atvėrė kelią ankstyvųjų karinių detektorių kūrimui naudojant Gunn diodus (dar žinomus kaip perdavimo elektronų įtaisai), kurie nuo to laiko buvo naudojami įvairiuose automatizuotuose įrenginiuose, pradedant automobilių radarų detektoriais ir signalų valdikliais, baigiant drėgmės detektoriais ir įsilaužimais aliarmai.

Pirmieji šviesos diodai ir lazeriai, pagrįsti GaAs, buvo gaminami septintojo dešimtmečio pradžioje RCA, GE ir IBM tyrėjų.

Iš pradžių šviesos diodai galėjo gaminti tik nematomus infraraudonųjų spindulių bangas, ribojančias apšvietimą jutikliais, ir fotoelektronines programas. Tačiau jų, kaip efektyviai energiją vartojančių, kompaktiškų šviesos šaltinių, potencialas buvo akivaizdus.

Septintojo dešimtmečio pradžioje „Texas Instruments“ pradėjo komerciškai siūlyti šviesos diodus. Iki 1970-ųjų ankstyvosios skaitmeninių ekranų sistemos, naudojamos laikrodžiuose ir skaičiuoklių ekranuose, netrukus buvo sukurtos naudojant LED foninio apšvietimo sistemas.

Tolesni tyrimai aštuntajame ir devintajame dešimtmečiuose leido naudoti efektyvesnius nusodinimo metodus, todėl LED technologijos tapo patikimesnės ir ekonomiškesnės. Kuriant galio-aliuminio-arseno (GaAlAs) puslaidininkinius junginius, šviesos diodai buvo dešimt kartų ryškesni nei ankstesni, tuo tarpu spalvų spektras LEDTaip pat pažangūs, remiantis naujais, galio turinčiais pusiau laidžiais substratais, tokiais kaip indžio-galio-nitridas (InGaN), galio-arsenido-fosfidas (GaAsP) ir galio-fosfidu (GaP).

Iki 1960 m. Pabaigos GaAs laidžiosios savybės taip pat buvo tiriamos kaip saulės energijos šaltinių dalis kosmoso tyrinėjimui. 1970 m. Sovietų tyrimų komanda sukūrė pirmuosius „GaAs“ heterostruktūrinius saulės elementus.

Kritinė optoelektroninių prietaisų ir integrinių grandynų (IC) gamyboje, vėlai išaugusi „GaAs“ plokštelių paklausa 1990 m. Ir XXI amžiaus pradžia, susieta su mobiliojo ryšio ir alternatyvios energijos plėtra technologijos.

Nenuostabu, kad, reaguojant į šią didėjančią paklausą, 2000–2011 m. Pasaulinio pirminio galio gamyba išaugo daugiau nei dvigubai - nuo maždaug 100 metrinių tonų (MT) per metus iki daugiau nei 300 MT.

Apskaičiuota, kad vidutinis galio kiekis žemės plutoje yra apie 15 dalių milijonui, maždaug panašus į ličio ir labiau paplitęs nei vadovauti. Tačiau metalas yra plačiai išsisklaidęs ir yra nedaugelyje ekonomiškai išgaunamų rūdos elementų.

Rafinuojant aliuminio oksidą (Al2O3), pirmtaką, 90% viso pagaminto pirminio galio išgaunama iš boksito. aliuminio. Šalutinis produktas yra nedidelis kiekis galio cinko ekstrahavimas rafinuoto rūdos rafinavimo metu.

„Bayer“ proceso metu perdirbant aliuminio rūdą iki aliuminio oksido, susmulkintos rūdos plaunamos karštu natrio hidroksido (NaOH) tirpalu. Tai paverčia aliuminio oksidą natrio aliuminatu, kuris nusėda rezervuaruose, o natrio hidroksido tirpalas, kuriame dabar yra galio, surenkamas pakartotiniam naudojimui.

Kadangi šis skystis yra perdirbamas, galio kiekis po kiekvieno ciklo padidėja, kol jis pasiekia maždaug 100–125 ppm. Tada mišinį galima paimti ir sukoncentruoti kaip galatą ekstrahuojant tirpikliu, naudojant organinius kompleksonus.

Elektrolitinėje vonioje, kurios temperatūra yra nuo 40 iki 60 ° C (104–140 ° F), natrio gallatas virsta nešvariu galiu. Po plovimo rūgštyje jis gali būti filtruojamas per porėtas keramines arba stiklo plokštes ir gaunamas 99,9–99,99% galio metalas.

99,99% yra standartinis pirmtakų laipsnis „GaAs“ programoms, tačiau naujiems naudojimo būdams reikalingas didesnis grynumas, kurį galima pasiekti metalo kaitinimas vakuume, kad būtų pašalinti lakūs elementai, arba elektrocheminis gryninimas ir frakcinis kristalizavimas metodai.

Per pastarąjį dešimtmetį didžioji pasaulio pirminio galio gamybos dalis persikėlė į Kiniją, kuri dabar tiekia apie 70% viso pasaulio galio. Kitos pirminės gamybos šalys yra Ukraina ir Kazachstanas.

Apie 30% metinio galio pagaminimo gaunama iš laužo ir perdirbamų medžiagų, tokių kaip „GaAs“ turinčios IC plokštelės. Daugiausia galio perdirbimas vyksta Japonijoje, Šiaurės Amerikoje ir Europoje.

JAV geologijos tarnyba apskaičiavo, kad 2011 m. buvo pagaminta 310MT rafinuoto galio.

Didžiausi pasaulio gamintojai yra „Zhuhai Fangyuan“, „Beijing Jiya Semiconductor Materials“ ir „Recapture Metals Ltd.“.

Kai legiruotasis galas linkęs ėsdinti ar padaryti metalus panašius plienas trapus. Šis bruožas, kartu su ypač žema lydymosi temperatūra, reiškia, kad galis yra mažai naudingas struktūrinėms reikmėms.

Savo metalinės formos galis naudojamas lydmetaliuose ir mažai lydytuose lydiniuose, tokiuose kaip Galinstan®, tačiau dažniausiai jis randamas puslaidininkių medžiagose.

Pagrindines „Gallium“ programas galima suskirstyti į penkias grupes:

1. Puslaidininkiai: „GaAs“ plokštelės, sudarančios apie 70% metinio galio suvartojimo, yra daugelio šiuolaikinių elektroninių elementų pagrindas įrenginiai, tokie kaip išmanieji telefonai ir kiti belaidžio ryšio įrenginiai, kurie priklauso nuo energijos taupymo ir stiprinimo galimybių GaAs IC.

2. Šviesą spinduliuojantys diodai (LED): nuo 2010 m., Kaip teigiama, pasaulinė LED sektoriaus paklausa galilija išaugo dvigubai, nes didelio ryškumo šviesos diodai naudojami mobiliuose ir plokščiaekraniuose ekranuose. Visuotinis žingsnis siekiant didesnio energijos vartojimo efektyvumo lėmė ir vyriausybės paramą LED apšvietimo naudojimui virš kaitrinio ir kompaktiško fluorescencinio apšvietimo.

3. Saulės energija: „Gallium“ naudoja saulės energiją, naudodamas dvi technologijas:

• „GaAs“ koncentruoti saulės elementai
• Kadmio, indžio-galio-selenido (CIGS) plonasluoksnės saulės baterijos

Kadangi šios technologijos yra labai veiksmingos fotoelektrinės elementai, jos sėkmingai specializuojasi programos, ypač susijusios su kosmoso ir kariuomenės veikla, tačiau vis dar susiduria su didelėmis kliūtimis komercinis naudojimas.

4. Magnetinės medžiagos: Didelio stiprumo, nuolatinės magnetai yra pagrindinė kompiuterių, hibridinių automobilių, vėjo turbinų ir įvairios kitos elektroninės ir automatinės įrangos sudedamoji dalis. Kai kuriuose nuolatiniuose magnetuose naudojami nedideli galio priedai, įskaitant neodimio-geležies-boras (NdFeB) magnetai.

5. Kitos programos:

• Specialūs lydiniai ir lydmetaliai
• Drėkinimo veidrodžiai
• Su plutoniu kaip branduolio stabilizatoriumi
• Nikelis-manganas-galio formos atminties lydinys
• Naftos katalizatorius
• Biomedicinos priemonės, įskaitant vaistus (galio nitratą)
• Fosforos
• Neutrino aptikimas

_Šaltiniai:

_{Programinė įranga. Šviesos diodų (šviesos diodų) istorija.}

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

_{Anthony John Downs, (1993), „Aliuminio, galio, indio ir talio chemija“. „Springer“, ISBN 978-0-7514-0103-5}

_{Barrattas, Curtis A. "III-V puslaidininkiai, RF programų istorija". ECS Trans. 2009, 19 tomas, 3 leidimas, 79–84 puslapiai.}

_{Schubertas, E. Fredas. Šviesos diodai. Rensselaerio politechnikos institutas, Niujorkas. 2003 gegužė.}

_{USGS. Mineralinių prekių santraukos: Galliumas.}

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

_{SM ataskaita. Šalutiniai metalai: aliuminio ir galio santykis.}

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