Металл Профиль: Галлий

Галлий является коррозионным, серебристым мелким металлом, который плавится вблизи комнатной температуры и чаще всего используется при производстве полупроводниковых соединений.

Свойства:

• Атомный символ: Ga
• Атомный номер: 31
• Элемент Категория: Металл после перехода
• Плотность: 5. 91 г / см³ (при 73 ° F / 23 ° C)
• Точка плавления: 85 ° 58 ° F (29. 76 ° C)
• Точка кипения: 3999 ° F (2204 ° C)
• Твердость по Моо: 1. 5

Характеристики:

Чистый галлий серебристо-белый и плавится при температуре ниже 85 ° F (29. 4 ° C).

Металл остается в расплавленном состоянии до почти 4000 ° F (2204 ° C), что дает ему наибольший диапазон жидкости для всех металлических элементов.

Галлий является одним из немногих металлов, который расширяется по мере его охлаждения, увеличиваясь в объеме чуть более 3%.

Хотя галлий легко сплавляется с другими металлами, он является коррозионным, рассеивается в решетке и ослабляет большинство металлов. Его низкая температура плавления, однако, делает его полезным в некоторых сплавах с низким содержанием расплава.

В отличие от ртути, которая также является жидкой при комнатной температуре, галлий смачивает кожу и стекло, что затрудняет ее обработку. Однако галлий не так токсичен, как ртуть.

История:

Обнаруженный в 1875 году Полем Эмилем Лекогом де Буасбаудран при изучении сфалеритовых руд, галлий не использовался ни в каких коммерческих приложениях до второй половины XX века.

Галлий мало полезен в качестве структурного металла, но его ценность во многих современных электронных устройствах не может быть занижена.

Коммерческое использование галлия, разработанное в результате первоначальных исследований светодиодов (LED) и полупроводниковой технологии радиочастот (RF) III-V, которая началась в начале 1950-х годов.

В 1962 году исследование физиотерапевта Дж. Б. Ганна по арсениду галлия (GaAs) привело к открытию высокочастотного колебания электрического тока, протекающего через определенные полупроводниковые твердые тела, теперь известного как «эффект Ганна».

Этот прорыв проложил путь для ранних военных детекторов, которые будут построены с использованием диодов Ганна (также известных как передаточные электронные устройства), которые с тех пор использовались в различных автоматизированных устройствах: от автомобильных радиолокационных детекторов и сигнальных контроллеров до детекторов влажности и охранной сигнализации ,

Первые светодиоды и лазеры на основе GaAs были созданы в начале 1960-х годов исследователями RCA, GE и IBM.

Изначально светодиоды были способны создавать невидимые инфракрасные световые волны, ограничивающие освещение до датчиков и фотоэлектронные приложения. Но их потенциал как энергоэффективных компактных источников света был очевиден.

К началу 1960-х годов Texas Instruments начала предлагать светодиоды коммерчески. К 1970-м годам ранние цифровые системы отображения, используемые в часах и калькуляторах, вскоре были разработаны с использованием светодиодных систем подсветки.

Дальнейшие исследования в 1970-х и 1980-х годах привели к более эффективным методам осаждения, сделав светодиодные технологии более надежными и экономичными. Развитие полупроводниковых соединений галлий-алюминий-мышьяк (GaAlAs) привело к тому, что светодиоды были в десять раз ярче, чем предыдущие, тогда как цветовой спектр, доступный для светодиодов, также продвигался на основе новых галлийсодержащих полупроводниковых субстратов, таких как индия- галлий-нитрид (InGaN), галлий-арсенид-фосфид (GaAsP) и галлий-фосфид (GaP).

К концу 1960-х годов проводимость GaAs проводилась также как часть солнечных источников энергии для освоения космоса. В 1970 году советская исследовательская группа создала первые солнечные элементы гетероструктуры GaAs.

Критические для производства оптоэлектронных устройств и интегральных схем (ИС), спрос на GaAs-вафли взлетели в конце 1990-х и начале 21-го века в связи с развитием технологий мобильной связи и альтернативных источников энергии.

Неудивительно, что в ответ на этот растущий спрос в период с 2000 по 2011 год глобальное производство первичного галлия более чем в два раза превышает примерно 100 метрических тонн (MT) в год до более 300 млн. Тонн.

Производство:

Среднее содержание галлия в земной коре составляет около 15 частей на миллион, что примерно похоже на литий и более распространено, чем свинец.

Металл, однако, широко диспергирован и присутствует в нескольких экономически извлекаемых рудных телах.

В то время как 90% всего первичного галлия, полученного в настоящее время, извлекается из бокситов во время переработки оксида алюминия (Al2O3), предшественника алюминия. Небольшое количество галлия образуется в качестве побочного продукта извлечения цинка при рафинировании сфалеритовой руды.

Во время Байерского процесса переработки алюминиевой руды в глинозем, измельченная руда промывается горячим раствором гидроксида натрия (NaOH). Это превращает оксид алюминия в алюминат натрия, который оседает в резервуарах, тогда как раствор гидроксида натрия, который теперь содержит галлий, собирается для повторного использования.

Поскольку этот раствор рециркулируют, содержание галлия увеличивается после каждого цикла до тех пор, пока оно не достигнет уровня 100-125 ppm. Затем смесь может быть взята и сконцентрирована в виде галлата путем экстракции растворителем с использованием органических хелатирующих агентов.

В электролитической ванне при температуре 104-140 ° F (40-60 ° C) галлат натрия превращается в нечистый галлий. После промывки в кислоте его затем можно фильтровать через пористые керамические или стеклянные пластины для создания 99. 9-99. 99% галлиевого металла.

99. 99% является стандартным классом предшественников для применений GaAs, но для новых применений требуется более высокая чистота, которая может быть достигнута путем нагревания металла под вакуумом для удаления летучих элементов или методов электрохимической очистки и фракционной кристаллизации.

За последнее десятилетие большая часть первичного производства галлия в мире переместилась в Китай, который теперь поставляет около 70% мирового галлия. Другие страны-производители первичной продукции включают Украину и Казахстан.

Около 30% годовой добычи галлия извлекается из лома и материалов, подлежащих вторичной переработке, таких как GaAs-содержащие IC-пластины.Большая переработка галлия происходит в Японии, Северной Америке и Европе.

Геологическая служба США оценивает, что в 2011 году было произведено 310 млн тонн рафинированного галлия.

Крупнейшие в мире производители включают в себя Чжухай Фанъюань, Beijing Jiya Semiconductor Materials и Recapture Metals Ltd.

Применения:

Когда легированный галлий имеет тенденцию к коррозии или превращению металлов, таких как сталь, хрупких. Эта особенность, наряду с чрезвычайно низкой температурой плавления, означает, что галлий мало используется в структурных применениях.

В своей металлической форме галлий используется в припоях и низкоплавких сплавах, таких как Galinstan®, но чаще всего он встречается в полупроводниковых материалах.

Основные приложения Gallium можно разделить на 5 групп:

1. Полупроводники: учет около 70% годового потребления галлия, вазы GaAs являются основой многих современных электронных устройств, таких как смартфоны и другие устройства беспроводной связи, которые полагаются на способность энергосбережения и усиления микросхем GaAs.

2. Светодиоды (светодиоды): с 2010 года глобальный спрос на галлий со светодиодного сектора, по сообщениям, удвоился благодаря использованию светодиодов высокой яркости на мобильных и плоских экранах. Глобальное движение к повышению энергоэффективности также привело к государственной поддержке использования светодиодного освещения над лампами накаливания и компактным флуоресцентным освещением.

3. Солнечная энергия: использование галлия в солнечных энергетических приложениях сосредоточено на двух технологиях:

• солнечные элементы концентратора GaAs
• тонкопленочные солнечные элементы кадмий-индий-галлий-селенид (CIGS)

Как высокоэффективные фотоэлектрические элементы, обе технологии имели успех в специализированных применениях, особенно связанных с аэрокосмической и военной техникой, но все же сталкиваются с препятствиями для крупномасштабного коммерческого использования.

4. Магнитные материалы: высокопрочные, постоянные магниты являются ключевым компонентом компьютеров, гибридных автомобилей, ветровых турбин и другого электронного и автоматизированного оборудования. Небольшие добавки галлия используются в некоторых постоянных магнитах, включая магниты неодима и железа-бора (NdFeB).

5. Другие применения:

• Специальные сплавы и припои
• Смачивающие зеркала
• С плутонием в качестве ядерного стабилизатора
• Никель-марганец-галлиевая форма памяти
• Нефтяной катализатор
• Биомедицинские применения, включая фармацевтические препараты (галлий нитрат)
• Фосфоры
• Обнаружение нейтрино

_{Источники:}

_{Softpedia. История светодиодов (светоизлучающих диодов).}

_{Источник: // web. архив. org / web / 20130325193932 / // гаджеты. Softpedia. ком / Новости / История-оф-светодиодов-Light-Emitting-Диоды-1487-01. html}

_{Энтони Джон Даунс (1993), «Химия алюминия, галлия, индия и таллия». Springer, ISBN 978-0-7514-0103-5}

_{Barratt, Curtis A. «III-V Semiconductors, история в приложениях РФ». ECS Trans . 2009, том 19, выпуск 3, страницы 79-84.}

_{Шуберт, Э. Фред. Светоизлучающие диоды . Rensselaer Polytechnic Institute, Нью-Йорк. Май 2003.}

_{USGS. Минеральные товарные сводки: галлий.}

_{Источник: // минералы. USGS. г / минералы / Пабы / товарный / галлий / индекс. html}

_{Отчет SM. Побочные продукты: соотношение алюминий-галлий .}

_{URL: www. стратегический металл. TypePad. ком}