Metallprofil Gallium

Gallium är en frätande, silverfärgad mindre metall som smälter nära rumstemperatur och används oftast vid framställning av halvledarföreningar.

Egenskaper:

• Atomiskt Symbol: Ga
• Atomtal: 31
• Element Kategori: Efter övergångsmetall
• Densitet: 5. 91 g / cm³ (vid 73 ° F / 23 ° C)
• Smältpunkt: 85. 58 ° F (29. 76 ° C)
• Kokpunkt: 3999 ° F (2204 ° C)
• Mohs hårdhet: 1. 5

Egenskaper:

Ren gallium är silverfärgad och smälter vid temperaturer under 85 ° F (29 ° C).

Metallen förblir i smält tillstånd upp till nästan 4000 ° F (2204 ° C), vilket ger den det största vätskeområdet för alla metallelement.

Gallium är en av några få metaller som expanderar när det svalnar och ökar i volym med drygt 3%.

Även om gallium lätt legeras med andra metaller, är det frätande, diffunderande i gitteret och försvagningen, de flesta metaller. Dess låga smältpunkt gör det emellertid användbart vid vissa smältlegeringar.

I motsats till kvicksilver, som också är flytande vid rumstemperatur, gallium väger både hud och glas, vilket gör det svårare att hantera. Ännu är gallium inte lika giftigt som kvicksilver.

Historia:

Gallium användes inte i några kommersiella applikationer fram till senare delen av 1900-talet. Det upptäcktes 1875 av Paul-Emile Lecoq de Boisbaudran vid undersökning av sphaleritmalm.

Gallium har liten användning som en strukturell metall, men värdet i många moderna elektroniska enheter kan inte underskattas.

Kommersiell användning av gallium som utvecklats från den inledande undersökningen av LED-strålkastare och III-V-radiofrekvens (RF) halvledarteknik, som började i början av 1950-talet.

I 1962 ledde IBM fysikern J. B. Gunns forskning om galliumarsenid (GaAs) till upptäckten av högfrekvensoscillering av den elektriska strömmen som strömmar genom vissa halvledande fasta ämnen - nu känd som "Gunn Effect".

Detta genombrott banade vägen för att tidiga militära detektorer konstruerades med hjälp av Gunn-dioder (även kända som överföringselektronenheter) som sedan dess har använts i olika automatiserade enheter, från radardetektorer och signalstyrenheter till fuktighetsdetektorer och inbrottslarm .

De första lysdioderna och lasrarna baserade på GaAs producerades i början av 1960-talet av forskare vid RCA, GE och IBM.

Inledningsvis kunde lysdioderna bara producera osynliga infraröda ljusvågor, vilket begränsar belysningen till sensorn och fotoelektroniska applikationer. Men deras potential som energieffektiva kompakta ljuskällor var uppenbar.

I början av 1960-talet började Texas Instruments erbjuda kommersiella LED-lampor. Vid 1970-talet blev tidiga digitala bildskärmssystem, som användes i klockor och miniräknare, snabbt utvecklade med hjälp av LED-bakgrundsbelysningssystem.

Ytterligare forskning på 1970-talet och 1980-talet resulterade i effektivare deponeringstekniker, vilket gjorde LED-tekniken mer tillförlitlig och kostnadseffektiv. Utvecklingen av halvledarföreningar av gallium-aluminium-arsen (GaAlAs) resulterade i LED-lampor som var tio gånger ljusare än tidigare, medan färgspektrumet tillgängligt för lysdioder också avancerade baserat på nya galliumhaltiga halvledande substrat, såsom indium- galliumnitrid (InGaN), gallium-arsenidfosfid (GaAsP) och galliumfosfid (GaP).

Vid slutet av 1960-talet undersöktes även GaAs ledande egenskaper som en del av solkraftkällor för rymdutforskning. 1970 skapade ett sovjetiskt forskargrupp de första GaAs heterostrukturen solceller.

Kritisk till tillverkningen av optoelektroniska enheter och integrerade kretsar (ICs) ökade efterfrågan på GaAs-skivor i slutet av 1990-talet och början av 2000-talet i samband med utvecklingen av mobilkommunikation och alternativ energiteknik.

Överraskande, som svar på denna växande efterfrågan, är global primär galliumproduktion mellan 2000 och 2011 mer än dubbel från cirka 100 ton per år till över 300 miljoner ton.

Produktion:

Den genomsnittliga galliumhalten i jordskorpan uppskattas till cirka 15 delar per miljon, ungefär som litium och vanligare än bly.

Metallen är emellertid vitt spridd och närvarande i få ekonomiskt extraherbara malmkroppar.

Så mycket som 90% av allt producerat primär gallium extraheras för närvarande från bauxit under raffinering av aluminiumoxid (Al2O3), en föregångare till aluminium. En liten mängd gallium produceras som en biprodukt av zinkutvinning under raffinering av sphaleritmalm.

Under Bayer-processen för att raffinera aluminiummalm till aluminiumoxid tvättas krossad malm med en het lösning av natriumhydroxid (NaOH). Detta omvandlar aluminiumoxid till natriumaluminat, som sätter sig i tankar medan natriumhydroxidluten som nu innehåller gallium samlas in för återanvändning.

Eftersom denna vätska återvinns ökar galliumhalten efter varje cykel tills den når en nivå av cirka 100-125 ppm. Blandningen kan därefter tas och koncentreras som gallat via lösningsmedelsekstraktion med användning av organiska kelateringsmedel.

I ett elektrolytiskt bad vid temperaturer av 104-140 ° F (40-60 ° C) omvandlas natriumgalleat till oren gallium. Efter tvättning i syra kan den sedan filtreras genom porösa keramiska eller glasplattor för att skapa 99. 9-99. 99% galliummetall.

99. 99% är standardprekursorns kvalitet för GaAs-applikationer, men nya användningsområden kräver högre renheter som kan uppnås genom uppvärmning av metallen under vakuum för avlägsnande av flyktiga element eller elektrokemisk rening och fraktionerad kristalliseringsmetoder.

Under det senaste årtiondet har mycket av världens primära galliumproduktion flyttat till Kina som nu levererar cirka 70% av världens gallium. Andra primärproducerande länder inkluderar Ukraina och Kazakstan.

Omkring 30% av den årliga galliumproduktionen extraheras från skrot och återvinningsbara material som GaAs-innehållande IC-skivor.De flesta galliumåtervinning sker i Japan, Nordamerika och Europa.

Den amerikanska geologiska undersökningen uppskattar att 310MT av raffinerad gallium producerades 2011.

Världens största tillverkare är Zhuhai Fangyuan, Beijing Jiya Semiconductor Materials och Recapture Metals Ltd.

Användningsområden:

När legerat gallium tenderar att korrodera eller göra metaller som stål skörda. Denna egenskap, tillsammans med dess extremt låga smälttemperatur, innebär att gallium inte används i strukturella tillämpningar.

I metallisk form används gallium i solvaror och lågmältningslegeringar, till exempel Galinstan®, men det finns oftast i halvledarmaterial.

Galliums huvudapplikationer kan kategoriseras i 5 grupper:

1. Halvledare: Omkring 70% av den årliga galliumförbrukningen är GaAs-wafers ryggraden i många moderna elektroniska enheter, såsom smartphones och andra trådlösa kommunikationsenheter som bygger på energisparande och förstärkningsförmåga hos GaAs ICs.

2. Light Emitting Diodes (LED): Sedan 2010 har den globala efterfrågan på gallium från LED-sektorn fördubblats på grund av användningen av lysdioder med hög ljusstyrka i mobil- och bildskärmar. Det globala drag mot ökad energieffektivitet har också lett till statligt stöd för användningen av LED-belysning över glödlampor och glödlampor.

3. Solenergi: Galliums användning i solenergiapplikationer är inriktad på två teknologier:

• GaAs-koncentrator-solceller
• Cadmium-indium-gallium-selenid (CIGS) tunnfilmssolceller

Som högeffektiv fotovoltaiska celler, båda teknologierna har haft framgång i specialiserade applikationer, särskilt relaterade till flyg och militär men fortfarande ansiktshinder för storskalig kommersiell användning.

4. Magnetiska material: Höghållfasta permanenta magneter är en nyckelkomponent i datorer, hybridbilar, vindkraftverk och diverse annan elektronisk och automatiserad utrustning. Små tillsatser av gallium används i vissa permanenta magneter, inklusive magneter av neodym-järn-bor (NdFeB).

5. Andra tillämpningar:

• Speciallegeringar och soldater
• Fuktspeglar
• Med plutonium som kärnstabiliserare
• Nickelmangan-galliumformminne legering
• Petroleumkatalysator
• Biomedicinska applikationer, inklusive läkemedel (gallium nitrat)
• Fosforer
• Neutrino detektion

_Källor:

_{Softpedia. History of LEDs (Light Emitting Diodes).}

_{Källa: // web. arkiv. org / web / 20130325193932 / // gadgets. Softpedia. com / nyheter / History-of-LED-Light-Emitting-Diodes-1487-1401. html}

_{Anthony John Downs, (1993), "Kemi av aluminium, gallium, indium och tallium". Springer, ISBN 978-0-7514-0103-5}

_{Barratt, Curtis A. "III-V halvledare, en historia i RF-applikationer". ECS Trans . 2009, Volym 19, Utgåva 3, Sidor 79-84.}

_{Schubert, E. Fred. Lysdioder . Rensselaer Polytechnic Institute, New York. Maj 2003.}

_{USGS. Mineralvaror Sammanfattningar: Gallium.}

_{Källa: // mineraler. usgs. gov / mineraler / pubar / råvara / gallium / index. html}

_{SM Report. Biproduktmetaller: Aluminium-Galliumförhållandet .}

_{URL: www. strategisk-metall. typepad. com}