Minor Metal, który pomaga LED świecić jasno
Nieruchomości:
- Symbol atomu: Ga
- Liczba atomowa: 31
- Kategoria elementu: Post-transition metal
- Gęstość: 5,91 g / cm³ (przy 73 ° F / 23 ° C)
- Temperatura topnienia: 89,58 ° F (29,76 ° C)
- Temperatura wrzenia: 3999 ° F (2204 ° C)
- Twardość Moha: 1,5
Charakterystyka:
Czysty galu jest srebrzystobiały i topi się w temperaturze poniżej 29,0 ° C (85 ° F).
Metal pozostaje w stanie stopionym do prawie 4000 ° F (2204 ° C), co daje największy zakres płynności wszystkich elementów metalowych.
Galu jest jednym z niewielu metali, który rozszerza się w miarę ochładzania, zwiększając swoją objętość o nieco ponad 3%.
Chociaż gali łatwo stopów z innymi metalami, jest korozyjny , rozprasza się w sieci i osłabia większość metali. Jego niska temperatura topnienia sprawia jednak, że jest przydatny w niektórych stopach o niskiej temperaturze topnienia.
W przeciwieństwie do rtęci , która jest również ciekła w temperaturze pokojowej, gal zwilża zarówno skórę, jak i szkło, utrudniając manipulację. Galu nie jest tak toksyczny jak rtęć.
Historia:
Odkryty w 1875 r. Przez Paula Emila Lecoqa de Boisbaudrana podczas badania rudy sfalerytu, galu nie używano w żadnych komercyjnych zastosowaniach aż do drugiej połowy XX wieku.
Galu jest mało przydatny jako metal konstrukcyjny, ale jego wartość w wielu nowoczesnych urządzeniach elektronicznych nie może być zaniżona.
Komercyjne zastosowania galu opracowane na podstawie początkowych badań nad diodami elektroluminescencyjnymi (LED) i technologii półprzewodnikowej częstotliwości radiowych III-V (RF), które rozpoczęły się we wczesnych latach pięćdziesiątych.
W 1962 r. Badania fizyka IBM JB Gunna dotyczące arsenku galu (GaAs) doprowadziły do odkrycia wysokiej częstotliwości oscylacji prądu elektrycznego przepływającego przez pewne półprzewodnikowe ciała stałe - obecnie znane jako "efekt Gunna". Przełom ten utorował drogę do zbudowania wczesnych detektorów wojskowych z wykorzystaniem diod Gunna (znanych również jako urządzenia przenoszące elektrony), które od tego czasu były wykorzystywane w różnych zautomatyzowanych urządzeniach, od detektorów radarów samochodowych i kontrolerów sygnału do detektorów zawartości wilgoci i alarmów antywłamaniowych.
Pierwsze diody LED i lasery oparte na GaAs zostały wyprodukowane na początku lat 60. przez naukowców z RCA, GE i IBM.
Początkowo diody LED były w stanie wytwarzać niewidoczne fale podczerwieni, ograniczając oświetlenie do czujników i aplikacje fotoelektroniczne. Ale ich potencjał jako energooszczędnych kompaktowych źródeł światła był oczywisty.
Na początku lat 60. firma Texas Instruments zaczęła komercyjnie oferować diody LED. Do lat 70. XX wieku wczesne cyfrowe systemy wyświetlania, używane w zegarkach i wyświetlaczach kalkulatorów, zostały wkrótce opracowane przy użyciu systemów podświetlania LED.
Dalsze badania w latach 70. i 80. XX w. Zaowocowały bardziej wydajnymi technikami osadzania, dzięki czemu technologia LED stała się bardziej niezawodna i opłacalna. Rozwój związków półprzewodnikowych galium-aluminium-arsen (GaAlAs) zaowocował diodami LED, które były dziesięciokrotnie jaśniejsze niż poprzednie, podczas gdy spektrum kolorów dostępne dla diod LED również posunęło się do przodu w oparciu o nowe półprzewodzące substraty zawierające galu, takie jak ind -azotek galwaniczny (InGaN), fosforek galu-arsenku (GaAsP) i fosforek galu (GaP).
Pod koniec lat 60-tych zbadano również właściwości przewodzące GaAs jako część źródeł energii słonecznej do eksploracji kosmosu. W 1970 r. Sowiecki zespół badawczy stworzył pierwsze ogniwa słoneczne z heterostrukturą GaAs.
Istotne znaczenie dla produkcji urządzeń optoelektronicznych i układów scalonych (IC), popyt na płytki GaAs wzrósł w późnych latach 90. i na początku XXI wieku w korelacji z rozwojem komunikacji mobilnej i alternatywnych technologii energetycznych.
Nic dziwnego, że w odpowiedzi na to rosnące zapotrzebowanie, w latach 2000-2011 globalna produkcja pierwszorzędowego galu wzrosła ponad dwukrotnie z około 100 ton metrycznych (MT) rocznie do ponad 300 ton.
Produkcja:
Średnia zawartość galu w skorupie ziemskiej szacowana jest na około 15 części na milion, z grubsza podobnie jak lit i częściej niż ołów . Jednakże metal jest szeroko rozproszony i obecny w kilku ekonomicznie ekstrahowanych kopalniach.
Aż 90% całego pierwotnego galu jest obecnie wydobywane z boksytu podczas rafinacji tlenku glinu (Al2O3), prekursora aluminium .
Niewielka ilość galu jest wytwarzana jako produkt uboczny ekstrakcji cynku podczas rafinacji rudy sfalerytu.
Podczas procesu Bayera rafinacji rudy aluminium na tlenek glinu rozdrobniona ruda jest przemywana gorącym roztworem wodorotlenku sodu (NaOH). To przekształca tlenek glinu w glinian sodu, który osadza się w zbiornikach, podczas gdy roztwór wodorotlenku sodu, który zawiera teraz gal, jest zbierany do ponownego użycia.
Ponieważ ten trunek jest zawracany, zawartość galu zwiększa się po każdym cyklu, aż osiągnie poziom około 100-125 ppm. Mieszaninę można następnie pobrać i zatężyć jako galusan przez ekstrakcję rozpuszczalnikiem, stosując organiczne czynniki chelatujące.
W kąpieli elektrolitycznej w temperaturze 104-140 ° F (40-60 ° C) galusan sodu przekształca się w zanieczyszczony gal. Po przemyciu kwasem można go następnie przefiltrować przez porowate płytki ceramiczne lub szklane, aby utworzyć 99,9-99,99% metalu galu.
99,99% jest standardową jakością prekursorów dla zastosowań GaAs, ale nowe zastosowania wymagają wyższych czystości, które można uzyskać przez ogrzewanie metalu pod próżnią w celu usunięcia lotnych pierwiastków lub elektrochemicznego oczyszczania i metod krystalizacji frakcyjnej.
W ciągu ostatniego dziesięciolecia większość światowej produkcji galusów na świecie przeniosła się do Chin, które obecnie dostarczają około 70% światowego galu. Inne główne kraje produkujące to Ukraina i Kazachstan.
Około 30% rocznej produkcji galu jest wydobywane ze złomu i nadających się do recyklingu materiałów, takich jak wafle zawierające IC zawierające GaAs. Większość recyklingu galu występuje w Japonii, Ameryce Północnej i Europie.
US Geological Survey szacuje, że 310 MT rafinowanego galu zostało wyprodukowane w 2011 roku.
Najwięksi producenci na świecie to Zhuhai Fangyuan, Beijing Jiya Semiconductor Materials i Recapture Metals Ltd.
Aplikacje:
Kiedy stopiony galen ma tendencję do korodowania lub tworzenia metali takich jak stal krucha. Ta cecha, wraz z jej wyjątkowo niską temperaturą topnienia, oznacza, że galu jest mało przydatny w zastosowaniach strukturalnych.
W swojej postaci metalicznej, gal stosuje się w stopach lutowniczych i stopach niskotopliwych , takich jak Galinstan® , ale najczęściej występuje w materiałach półprzewodnikowych.
Główne aplikacje galu można podzielić na pięć grup:
1. Półprzewodniki: Około 70% rocznego zużycia gal, wafle GaAs stanowią szkielet wielu nowoczesnych urządzeń elektronicznych, takich jak smartfony i inne bezprzewodowe urządzenia komunikacyjne, które polegają na możliwości oszczędzania energii i wzmocnienia układów GaAs.
2. Diody elektroluminescencyjne (LED): Od 2010 r. Globalne zapotrzebowanie na gal z sektora LED podwoiło się, dzięki zastosowaniu diod LED o wysokiej jasności na ekranach mobilnych i płaskich ekranów. Globalne dążenie do większej efektywności energetycznej doprowadziło również do rządowego wsparcia stosowania oświetlenia LED nad żarówkowym i kompaktowym oświetleniem fluorescencyjnym.
3. Energia słoneczna: zastosowanie Gal w zastosowaniach energii słonecznej koncentruje się na dwóch technologiach:
- Ogniwa słoneczne GaAs koncentratora
- Cienkowarstwowe ogniwa słoneczne Cmu-ind-galu-galu (CIGS)
Jako wysoce wydajne ogniwa fotowoltaiczne obie technologie odniosły sukces w wyspecjalizowanych zastosowaniach, w szczególności w lotnictwie i wojskowości, ale nadal napotykają bariery utrudniające komercyjne wykorzystanie na dużą skalę.
4. Materiały magnetyczne: magnesy trwałe o dużej wytrzymałości są kluczowym elementem komputerów, samochodów hybrydowych, turbin wiatrowych i innych urządzeń elektronicznych i automatycznych. Małe dodatki galu są stosowane w niektórych magnesach trwałych, w tym w magnesach neodymowo- żelazo - borowych (NdFeB).
5. Inne aplikacje:
- Specjalistyczne stopy i lutowie
- Zwilżające lustra
- Z plutonem jako stabilizatorem jądrowym
- Nikiel - manganowo- magnezowy stop z pamięcią kształtu
- Katalizator naftowy
- Zastosowania biomedyczne, w tym farmaceutyki (azotan galu)
- Phosphors
- Wykrywanie neutronów
Źródła:
Softpedia. Historia diod LED (diody elektroluminescencyjne).
Źródło: https://web.archive.org/web/20130325193932/http://gadgets.softpedia.com/news/History-of-LEDs- Light -Emitting- Diody-1487-01.html
Anthony John Downs, (1993), "Chemia aluminium, galu, indu i talii". Springer, ISBN 978-0-7514-0103-5
Barratt, Curtis A. "Półprzewodniki III-V, historia zastosowań RF." ECS Trans . 2009, Tom 19, Wydanie 3, strony 79-84.
Schubert, E. Fred. Diody emitujące światło . Rensselaer Polytechnic Institute, Nowy Jork. Maj 2003 r.
USGS. Podsumowania dotyczące surowców mineralnych: galu.
Źródło: http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/gallium/index.html
Raport SM. Metale z produktów ubocznych: związek glino-galu .
URL: www.strategic-metal.typepad.com