Metallprofil: Gallium og LED-lys

Gallium er et etsende, sølvfarget minormetall som smelter nær romtemperatur og brukes oftest i produksjonen av halvlederforbindelser.

• Atom symbol: Ga
• Atomnummer: 31
• Elementkategori: Metall etter overgang
• Tetthet: 5,91 g / cm³ (ved 73 ° F / 23 ° C)
• Smeltepunkt: 29,76 ° C (85,58 ° F)
• Kokepunkt: 2204 ° C
• Mohs hardhet: 1,5

Rent gallium er sølvhvitt og smelter ved temperaturer under 29,4 ° C. Metallet forblir i en smeltet tilstand opp til nesten 2204 ° C, noe som gir det største væskeområdet for alle metallelementer.

Gallium er et av bare noen få metaller som ekspanderer når det kjøler, og øker i volum med litt over 3%.

Selv om gallium lett legeres med andre metaller, er det det etsende, diffunderer inn i gitteret og svekker de fleste metaller. Det lave smeltepunktet gjør det imidlertid nyttig i visse lavtsmeltende legeringer.

I motsetning til kvikksølv, som også er flytende ved romtemperatur, fukter gallium både hud og glass, noe som gjør det vanskeligere å håndtere. Gallium er ikke så giftig som kvikksølv.

Gallium ble oppdaget i 1875 av Paul-Emile Lecoq de Boisbaudran mens han undersøkte sfæralermalmer, og ble ikke brukt i kommersielle bruksområder før den siste delen av 1900-tallet.

Gallium er lite brukbar som strukturelt metall, men verdien i mange moderne elektroniske apparater kan ikke undervurderes.

Kommersiell bruk av gallium utviklet fra den første forskningen på lysemitterende dioder (LED) og III-V radiofrekvens (RF) halvlederteknologi, som begynte på begynnelsen av 1950-tallet.

I 1962 førte IBM-fysiker J.B. Gunns forskning på galliumarsenid (GaAs) til oppdagelsen av høyfrekvent svingning av den elektriske strømmen som strømmer gjennom visse halvledende faste stoffer - nå kjent som 'Gunn Effect'. Dette gjennombruddet banet vei for at tidlige militære detektorer ble konstruert ved hjelp av Gunn-dioder (også kjent som overføre elektroniske enheter) som siden har blitt brukt i forskjellige automatiserte enheter, fra bilradardetektorer og signalregulatorer til fuktighetsinnholdsdetektorer og innbruddstyv alarmer.

De første lysdioder og lasere basert på GaAs ble produsert på begynnelsen av 1960-tallet av forskere ved RCA, GE og IBM.

Opprinnelig var lysdioder bare i stand til å produsere usynlige infrarøde lysbølger, og begrenset lysene til sensorer og fotoelektroniske applikasjoner. Men potensialet deres som energieffektive kompakte lyskilder var tydelig.

På begynnelsen av 1960-tallet begynte Texas Instruments å tilby LED-er kommersielt. På 1970-tallet ble tidlige digitale skjermsystemer, brukt i klokker og kalkulatorskjermer, snart utviklet ved bruk av LED-bakgrunnsbelysningssystemer.

Videre forskning på 1970- og 1980-tallet resulterte i mer effektive deponeringsteknikker, noe som gjorde LED-teknologi mer pålitelig og kostnadseffektiv. Utviklingen av gallium-aluminium-arsen (GaAlAs) halvlederforbindelser resulterte i lysdioder som var ti ganger lysere enn tidligere, mens fargespekteret tilgjengelig for LEDer også avansert basert på nye, galliumholdige halvledende underlag, for eksempel indium-gallium-nitrid (InGaN), gallium-arsenid-fosfid (GaAsP) og gallium-fosfid (GaP).

På slutten av 1960-tallet ble GaAs ledende egenskaper også undersøkt som en del av solenergikilder for romutforskning. I 1970 opprettet et sovjetisk forskerteam de første GaA-ene i heterostruktur solceller.

Kritisk for produksjonen av optoelektroniske enheter og integrerte kretsløp (ICs) steg etterspørselen etter GaAs-skiver sent på sen 1990-tallet og begynnelsen av det 21. århundre i sammenheng med utviklingen av mobil kommunikasjon og alternativ energi teknologier.

Ikke overraskende, som svar på denne økende etterspørselen, mellom 2000 og 2011 global primær galliumproduksjon mer enn dobbelt fra omtrent 100 tonn per år til over 300 MT.

Det gjennomsnittlige galliuminnholdet i jordskorpen er estimert til å være omtrent 15 deler per million, omtrent lithium og mer vanlig enn lede. Metallet er imidlertid vidt spredt og til stede i få økonomisk utvinnbare malmlegemer.

Så mye som 90% av alt produsert primært gallium er for øyeblikket ekstrahert fra bauxitt under raffinering av aluminiumoksyd (Al2O3), en forløper for aluminium. Det produseres en liten mengde gallium som et biprodukt av sink ekstraksjon under raffinering av sfalerittmalm.

Under Bayer-prosessen for raffinering av aluminiummalm til aluminiumoksyd vaskes knust malm med en varm oppløsning av natriumhydroksyd (NaOH). Dette konverterer aluminiumoksyd til natriumaluminat, som legger seg i tanker mens natriumhydroksydluten som nå inneholder gallium blir samlet for gjenbruk.

Fordi denne brennevin blir resirkulert, øker galliuminnholdet etter hver syklus til den når et nivå på omtrent 100-125 ppm. Blandingen kan deretter tas og konsentreres som gallat via løsningsmiddelekstraksjon under anvendelse av organiske chelateringsmidler.

I et elektrolytisk bad ved temperaturer mellom 40 og 60 ° C omdannes natriumgallat til uren gallium. Etter vasking i syre kan dette deretter filtreres gjennom porøse keramiske eller glassplater for å danne 99,9-99,99% galliummetall.

99,99% er standard forløperkarakter for GaAs-applikasjoner, men nye bruksområder krever høyere renhet som kan oppnås ved oppvarming av metallet under vakuum for å fjerne flyktige elementer eller elektrokjemisk rensing og fraksjonert krystallisering metoder.

I løpet av det siste tiåret har mye av verdens primære galliumproduksjon flyttet til Kina som nå leverer rundt 70% av verdens gallium. Andre primærproduserende nasjoner inkluderer Ukraina og Kasakhstan.

Cirka 30% av den årlige galliumproduksjonen utvinnes fra skrap og resirkulerbare materialer som GaAs-holdige IC-skiver. Mest galliumgjenvinning skjer i Japan, Nord-Amerika og Europa.

De USAs geologiske undersøkelse anslår at 310MT raffinert gallium ble produsert i 2011.

Verdens største produsenter inkluderer Zhuhai Fangyuan, Beijing Jiya Semiconductor Materials og Recapture Metals Ltd.

Når legert gallium har en tendens til å korrodere eller lage metaller som stål skjør. Denne egenskapen, sammen med den ekstremt lave smeltetemperaturen, betyr at gallium er lite nyttig i strukturelle anvendelser.

I sin metalliske form blir gallium brukt i selgere og legeringer med lav smelte, som f.eks Galinstan®, men det er ofte funnet i halvledermaterialer.

Galliums viktigste applikasjoner kan kategoriseres i fem grupper:

1. Halvledere: står for rundt 70% av det årlige galliumforbruket, GaAs-skiver er ryggraden i mange moderne elektroniske enheter, for eksempel smarttelefoner og andre trådløse kommunikasjonsenheter som stoler på strømsparings- og forsterkningsevnen GaAs IC-er.

2. Lysemitterende dioder (LED): Siden 2010 har den globale etterspørselen etter gallium fra LED-sektoren etter sigende blitt doblet, på grunn av bruken av lysdioder med høy lysstyrke på mobile og flatskjerm-skjermer. Den globale bevegelsen mot større energieffektivitet har også ført til statlig støtte for bruk av LED-belysning over glødende og kompakt lysrør.

3. Solenergi: Galliums bruk i solenergi-applikasjoner er fokusert på to teknologier:

• GaAs konsentrator solceller
• Kadmium-indium-gallium-selenid (CIGS) tynnfilms solceller

Som svært effektive fotovoltaiske celler har begge teknologiene hatt suksess med spesialisering applikasjoner, spesielt relatert til romfart og militær, men fremdeles står overfor hindringer i stor skala kommersielt bruk.

4. Magnetiske materialer: Høy styrke, permanent magneter er en nøkkelkomponent i datamaskiner, hybridbiler, vindturbiner og diverse annet elektronisk og automatisert utstyr. Små tilsetninger av gallium brukes i noen permanente magneter, inkludert neodym-jern-boron (NdFeB) magneter.

5. Andre bruksområder:

• Spesialitetslegeringer og selgere
• Fuktespeil
• Med plutonium som kjernefysisk stabilisator
• nikkel-mangan-gallium formminne legering
• Petroleumskatalysator
• Biomedisinske anvendelser, inkludert legemidler (galliumnitrat)
• fosfor
• Neutrino-deteksjon

_kilder:

_{Softpedia. Historie om lysdioder (lysemitterende dioder).}

_{Kilde: 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 Aluminium, Gallium, Indium and Thallium." Springer, ISBN 978-0-7514-0103-5}

_{Barratt, Curtis A. "III-V halvledere, en historie innen RF-applikasjoner." ECS Trans. 2009, bind 19, utgave 3, side 79-84.}

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

_{USGS. Mineral Commodity Summaries: Gallium.}

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

_{SM-rapport. Biproduktmetaller: Forholdet mellom aluminium og gallium.}

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