Μεταλλικό προφίλ: Φώτα γαλλίου και LED

Το Gallium είναι ένα διαβρωτικό, ασήμι χρώματος δευτερεύον μέταλλο που λιώνει κοντά σε θερμοκρασία δωματίου και χρησιμοποιείται συχνότερα στην παραγωγή ενώσεων ημιαγωγών.

• Ατομικό σύμβολο: Ga
• Ατομικός αριθμός: 31
• Κατηγορία στοιχείου: Μετα-μετάβαση μετάλλων
• Πυκνότητα: 5,91 g / cm³ (στους 73 ° F / 23 ° C)
• Σημείο τήξεως: 85,58 ° F (29,76 ° C)
• Σημείο βρασμού: 3999 ° F (2204 ° C)
• Σκληρότητα Moh: 1.5

Το καθαρό γάλλιο είναι ασημί-λευκό και τήκεται σε θερμοκρασίες κάτω των 85 ° F (29,4 ° C). Το μέταλλο παραμένει σε κατάσταση τήξης έως περίπου 4000 ° F (2204 ° C), δίνοντάς του τη μεγαλύτερη γκάμα υγρών από όλα τα μεταλλικά στοιχεία.

Το Γάλλιο είναι ένα από τα λίγα μέταλλα που επεκτείνεται καθώς κρυώνει, αυξάνοντας τον όγκο κατά περισσότερο από 3%.

Αν και το γάλλιο είναι εύκολα κράματα με άλλα μέταλλα, είναι διαβρωτικός, διάχυση στο πλέγμα και αποδυνάμωση των περισσότερων μετάλλων. Το χαμηλό σημείο τήξης του, ωστόσο, το καθιστά χρήσιμο σε ορισμένα κράματα χαμηλής τήξης.

Σε αντίθεση με

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

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

Εμπορικές χρήσεις του γαλλίου που αναπτύχθηκαν από την αρχική έρευνα για 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 ΙΒΜ φυσικού J.B. Gunn για το αρσενίδιο του γαλλίου (GaAs) οδήγησε στην ανακάλυψη ταλαντώσεων υψηλής συχνότητας του ηλεκτρικού ρεύματος που ρέει μέσω ορισμένων ημιαγωγά στερεά - τώρα γνωστά ως «Gunn Effect». Αυτή η ανακάλυψη άνοιξε το δρόμο για την κατασκευή πρώιμων στρατιωτικών ανιχνευτών με χρήση διόδων Gunn (επίσης γνωστή ως μεταφορά συσκευών ηλεκτρονίων) που έκτοτε έχουν χρησιμοποιηθεί σε διάφορες αυτοματοποιημένες συσκευές, από ανιχνευτές ραντάρ αυτοκινήτου και ελεγκτές σήματος έως ανιχνευτές περιεχομένου υγρασίας και διαρρήκτη συναγερμός.

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

Αρχικά, τα LED μπόρεσαν να παράγουν μόνο αόρατα υπέρυθρα κύματα φωτός, περιορίζοντας τα φώτα στους αισθητήρες και φωτο-ηλεκτρονικές εφαρμογές. Ωστόσο, οι δυνατότητές τους ως ενεργειακά αποδοτικές πηγές φωτός ήταν εμφανείς.

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

Περαιτέρω έρευνα στις δεκαετίες του 1970 και του 1980 οδήγησε σε πιο αποτελεσματικές τεχνικές εναπόθεσης, καθιστώντας την τεχνολογία LED πιο αξιόπιστη και οικονομικά αποδοτική. Η ανάπτυξη ενώσεων ημιαγωγών γαλλίου-αργιλίου-αρσενικού (GaAlAs) οδήγησε σε LED που ήταν δέκα φορές φωτεινότερα από τα προηγούμενα, ενώ το φάσμα χρωμάτων ήταν διαθέσιμο για LEDΕπίσης προχώρησε με βάση νέα, ημι-αγώγιμα υποστρώματα που περιέχουν γάλλιο, όπως νιτρίδιο ινδίου-γάλλιου (InGaN), φωσφοριούχο γάλλιο-αρσενίδιο (GaAsP) και φωσφίδιο γαλλίου (GaP).

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

Κρίσιμο για την κατασκευή οπτικοηλεκτρονικών συσκευών και ολοκληρωμένων κυκλωμάτων (IC), η ζήτηση για γκοφρέτες GaAs αυξήθηκε στα τέλη 1990 και αρχές του 21ου αιώνα σε σχέση με την ανάπτυξη της κινητής επικοινωνίας και της εναλλακτικής ενέργειας τεχνολογίες.

Δεν αποτελεί έκπληξη, ως απάντηση σε αυτήν την αυξανόμενη ζήτηση, μεταξύ της παγκόσμιας πρωτογενούς παραγωγής γαλλίου από το 2000 έως το 2011 περισσότερο από το διπλάσιο από περίπου 100 μετρικούς τόνους (MT) ετησίως σε πάνω από 300MT.

Η μέση περιεκτικότητα σε γάλλιο στον φλοιό της γης εκτιμάται ότι είναι περίπου 15 μέρη ανά εκατομμύριο, περίπου παρόμοια με το λίθιο και πιο συχνή από οδηγω. Το μέταλλο, ωστόσο, είναι ευρέως διασκορπισμένο και υπάρχει σε λίγα οικονομικά εκχυλίσιμα μεταλλεύματα.

Το 90% του συνόλου του πρωτογενούς γαλλίου που παράγεται σήμερα εξάγεται από βωξίτη κατά τη διύλιση της αλουμίνας (Al2O3), ένας πρόδρομος αλουμίνιο. Μια μικρή ποσότητα γαλλίου παράγεται ως υποπροϊόν του ψευδάργυρος εκχύλιση κατά τη διύλιση μεταλλεύματος σφαλερίτη.

Κατά τη διάρκεια της διαδικασίας Bayer εξευγενισμού μεταλλεύματος αργιλίου σε αλουμίνα, το θρυμματισμένο μετάλλευμα πλένεται με θερμό διάλυμα υδροξειδίου του νατρίου (NaOH). Αυτό μετατρέπει την αλουμίνα σε αργιλικό νάτριο, το οποίο καθιζάνει 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 μέχρι να φτάσει σε επίπεδο περίπου 100-125ppm. Το μείγμα μπορεί στη συνέχεια να ληφθεί και να συμπυκνωθεί ως γαλλικό με εκχύλιση 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 το πλύσιμο σε οξύ, αυτό μπορεί στη συνέχεια να διηθηθεί μέσω πορωδών κεραμικών ή γυάλινων πλακών για τη δημιουργία 99,9-99,99% μετάλλου γαλλίου.

Το 99,99% είναι ο τυπικός βαθμός προδρόμου για εφαρμογές GaAs, αλλά οι νέες χρήσεις απαιτούν υψηλότερες καθαρότητες που μπορούν να επιτευχθούν έως θέρμανση του μετάλλου υπό κενό για απομάκρυνση πτητικών στοιχείων ή ηλεκτροχημικού καθαρισμού και κλασματικής κρυστάλλωσης μεθόδους.

Κατά την τελευταία δεκαετία, μεγάλο μέρος της παγκόσμιας πρωτογενούς παραγωγής γαλλίου μεταφέρθηκε στην Κίνα, η οποία προμηθεύει τώρα περίπου το 70% του παγκόσμιου γαλλίου. Άλλες πρωτογενείς χώρες παραγωγής περιλαμβάνουν την Ουκρανία και το Καζακστάν.

Περίπου το 30% της ετήσιας παραγωγής γάλλιου εξάγεται από απορρίμματα και ανακυκλώσιμα υλικά όπως γκοφρέτες IC που περιέχουν GaAs. Η περισσότερη ανακύκλωση γαλλίου πραγματοποιείται στην Ιαπωνία, τη Βόρεια Αμερική και την Ευρώπη.

ο Γεωλογική έρευνα των ΗΠΑ εκτιμά ότι 310MT εξευγενισμένου γαλλίου παρήχθη το 2011.

Οι μεγαλύτεροι παραγωγοί στον κόσμο περιλαμβάνουν τα Zhuhai Fangyuan, Beijing Jiya Semiconductor Materials και Recapture Metals Ltd.

Όταν το κράμα γαλλίου τείνει να διαβρώσει ή να κάνει παρόμοια μέταλλα ατσάλι εύθραυστος. Αυτό το χαρακτηριστικό, μαζί με την εξαιρετικά χαμηλή θερμοκρασία τήξης του, σημαίνει ότι το γάλλιο έχει μικρή χρήση σε δομικές εφαρμογές.

Στη μεταλλική του μορφή, το γάλλιο χρησιμοποιείται σε πωλητές και κράματα χαμηλού τήγματος, όπως Γκάλινσταν®, αλλά απαντάται συχνότερα σε υλικά ημιαγωγών.

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

1. Ημιαγωγοί: Αποτελώντας περίπου το 70% της ετήσιας κατανάλωσης γαλλίου, οι γκοφρέτες GaAs αποτελούν τη ραχοκοκαλιά πολλών σύγχρονων ηλεκτρονικών συσκευές, όπως smartphone και άλλες συσκευές ασύρματης επικοινωνίας που βασίζονται στην ικανότητα εξοικονόμησης ενέργειας και ενίσχυσης του ICA GaAs.

2. Δίοδοι εκπομπής φωτός (LED): 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 πορεία προς μεγαλύτερη ενεργειακή απόδοση οδήγησε επίσης στην κυβερνητική υποστήριξη για τη χρήση φωτισμού LED σε λαμπτήρες πυρακτώσεως και συμπαγείς φθορισμούς.

3. Ηλιακή ενέργεια: Η χρήση του Gallium σε εφαρμογές ηλιακής ενέργειας επικεντρώνεται σε δύο τεχνολογίες:

• Ηλιακά κύτταρα συμπυκνωτή GaAs
• Ηλιακά κύτταρα λεπτού υμενίου καδμίου-ινδίου-γάλλιου-σεληνιδίου (CIGS)

Ως εξαιρετικά αποτελεσματικά φωτοβολταϊκά κύτταρα, και οι δύο τεχνολογίες είχαν επιτυχία στην εξειδίκευση εφαρμογές, που σχετίζονται ιδιαίτερα με την αεροδιαστημική και τη στρατιωτική, αλλά εξακολουθούν να αντιμετωπίζουν εμπόδια σε μεγάλη κλίμακα εμπορική χρήση.

4. Μαγνητικά υλικά: Υψηλή αντοχή, μόνιμη μαγνήτες αποτελούν βασικό στοιχείο υπολογιστών, υβριδικών αυτοκινήτων, ανεμογεννητριών και διάφορου άλλου ηλεκτρονικού και αυτοματοποιημένου εξοπλισμού. Μικρές προσθήκες γαλλίου χρησιμοποιούνται σε ορισμένους μόνιμους μαγνήτες, συμπεριλαμβανομένου του νεοδυμίουσίδερο-βόριο (NdFeB) μαγνήτες.

5. Άλλες εφαρμογές:

• Ειδικά κράματα και πωλητές
• Υγροί καθρέφτες
• Με πλουτώνιο ως πυρηνικό σταθεροποιητή
• Νικέλιο-μαγγάνιο- κράμα μνήμης σχήματος γαλλίου
• Καταλύτης πετρελαίου
• Βιοϊατρικές εφαρμογές, συμπεριλαμβανομένων των φαρμακευτικών προϊόντων (νιτρικό γάλλιο)
• Φώσφοροι
• Ανίχνευση νετρίνου

_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), "Chemistry of Aluminum, Gallium, Indium και Thallium." Springer, ISBN 978-0-7514-0103-5}

_{Barratt, Curtis A. "III-V Semiconductors, a History in RF Applications." ECS Trans. 2009, Τόμος 19, Τεύχος 3, Σελίδες 79-84.}

_{Schubert, Ε. Φρειδερίκος. Διόδους εκπομπής φωτός. Πολυτεχνικό Ινστιτούτο Rensselaer, Νέα Υόρκη. Μάιος 2003.}

_{USGS. Περιλήψεις προϊόντων ορυκτών: Γάλλιο.}

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

_{Έκθεση SM. Μέταλλα υποπροϊόν: Η σχέση αλουμινίου-γαλλίου.}

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