Metallprofil: Gallium och LED-lampor

Gallium är en frätande, silverfärgad minormetall som smälter nära rumstemperatur och används oftast vid produktion av halvledarföreningar.

• Atom symbol: Ga
• Atomnummer: 31
• Elementkategori: Metall efter övergång
• Densitet: 5,91 g / cm³ (vid 73 ° F / 23 ° C)
• Smältpunkt: 29,76 ° C (85,58 ° F)
• Kokpunkt: 2204 ° C
• Mohs hårdhet: 1,5

Ren gallium är silvervit och smälter vid temperaturer under 29,4 ° 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 endast ett fåtal metaller som expanderar när det svalnar och ökar i volym med drygt 3%.

Även om gallium lätt legeras med andra metaller, är det frätande, diffunderar i gitteret hos och försvagar de flesta metaller. Dess låga smältpunkt gör den dock användbar i vissa lågsmältande legeringar.

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

Gallium, som upptäcktes 1875 av Paul-Emile Lecoq de Boisbaudran under undersökningen av spaleralermalm, användes inte i kommersiella tillämpningar förrän senare delen av 1900-talet.

Gallium är till liten nytta som strukturell metall, men dess värde i många moderna elektroniska apparater kan inte underskattas.

Kommersiell användning av gallium utvecklats från den första forskningen om ljusemitterande dioder (LED) och III-V radiofrekvens (RF) halvledarteknologi, som började i början av 1950-talet.

1962 ledde IBM-fysiker J.B. Gunns forskning om galliumarsenid (GaAs) till upptäckten av högfrekvenssvängning av den elektriska strömmen som strömmade genom vissa halvledande fasta ämnen - nu känd som "Gunn Effect." Detta genombrott banade vägen för tidiga militära detektorer att konstrueras med Gunn-dioder (även känd som överföra elektronanordningar) som sedan dess har använts i olika automatiska enheter, från bilradardetektorer och signalstyrenheter till detektorer för fuktinnehåll och inbrott larm.

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

Inledningsvis kunde lysdioder endast producera osynliga infraröda ljusvågor, vilket begränsade lamporna till sensorer och fotoelektroniska applikationer. Men deras potential som energieffektiva kompakta ljuskällor var uppenbar.

I början av 1960-talet började Texas Instruments erbjuda lysdioder kommersiellt. På 1970-talet utvecklades tidiga digitala visningssystem, som används i klockor och miniräknare, snart med LED-bakgrundsbelysningssystem.

Ytterligare forskning på 1970- och 1980-talet resulterade i effektivare deponeringstekniker, vilket gjorde LED-teknik mer pålitlig och kostnadseffektiv. Utvecklingen av gallium-aluminium-arsenik (GaAlAs) halvledarföreningar resulterade i lysdioder som var tio gånger ljusare än tidigare, medan det färgspektrum tillgängligt för LEDs avancerade även baserat på nya, galliuminnehållande halvledande substrat, såsom indium-gallium-nitrid (InGaN), gallium-arsenid-fosfid (GaAsP) och gallium-fosfid (GaP).

I slutet av 1960-talet undersöktes också GaAs ledande egenskaper som en del av solenergikällor för rymdutforskning. 1970 skapade ett sovjetiskt forskarteam de första GaA: s heterostruktur solceller.

Kritiskt för tillverkningen av optoelektroniska enheter och integrerade kretsar (ICs) ökade efterfrågan på GaAs-skivor sent 1990-talet och början av 2000-talet i samband med utvecklingen av mobilkommunikation och alternativ energi teknik.

Inte överraskande, som svar på denna växande efterfrågan, mellan 2000 och 2011 den globala primära galliumproduktionen mer än dubbelt från cirka 100 ton per år till över 300 MT.

Det genomsnittliga galliuminnehållet i jordskorpan beräknas vara cirka 15 delar per miljon, ungefär likt litium och vanligare än leda. Metallen är emellertid spridd i stort och finns i få ekonomiskt utvinnbara malmkroppar.

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

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

Eftersom denna vätska återvinns ökar galliuminnehållet efter varje cykel tills den når en nivå av cirka 100-125 ppm. Blandningen kan sedan tas och koncentreras som gallat via lösningsmedelsextraktion med användning av organiska kelatbildare.

I ett elektrolytiskt bad vid temperaturer på 104-40 ° F (40-60 ° C) omvandlas natriumgallat till orent gallium. Efter tvättning i syra kan detta sedan filtreras genom porösa keramiska eller glasplattor för att skapa 99,9-99,99% galliummetall.

99,99% är standardförstadiet för GaAs-applikationer, men för nya användningar krävs högre renhet som kan uppnås genom upphettning av metallen under vakuum för att avlägsna flyktiga element eller elektrokemisk rening och fraktionerad kristallisation metoder.

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

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

De US Geological Survey beräknar att 310MT raffinerat gallium producerades 2011.

Världens största producenter inkluderar Zhuhai Fangyuan, Beijing Jiya Semiconductor Materials och Recapture Metals Ltd.

När legerat gallium tenderar att korrodera eller göra metaller som stål spröd. Denna egenskap, tillsammans med dess extremt låga smälttemperatur, gör att gallium är till liten nytta i strukturella tillämpningar.

I sin metalliska form används gallium i säljare och lågsmältande legeringar, t.ex. galinstan®, men det finns oftast i halvledarmaterial.

Galliums huvudsakliga applikationer kan kategoriseras i fem grupper:

1. Halvledare: står för cirka 70% av den årliga galliumförbrukningen, GaAs skivor är ryggraden i många moderna elektroniska enheter, till exempel smartphones och andra trådlösa kommunikationsenheter som förlitar sig på energisparande och förstärkningsförmåga GaAs IC: er.

2. Ljusemitterande dioder (LED): Sedan 2010 har den globala efterfrågan på gallium från LED-sektorn enligt uppgift fördubblats på grund av användningen av lysdioder med hög ljusstyrka i mobila och plattskärmsskärmar. Den globala utvecklingen mot ökad energieffektivitet har också lett till statligt stöd för användning av LED-belysning över glödlampor och kompakt lysrör.

3. Solenergi: Galliums användning i solenergitillämpningar fokuserar på två tekniker:

• GaAs koncentrator solceller
• Kadmium-indium-gallium-selenid (CIGS) tunnfilms solceller

Som mycket effektiva fotovoltaiska celler har båda teknologierna haft framgång i specialiserade applikationer, särskilt relaterade till flyg- och militärområden men fortfarande står inför hinder för storskalig kommersiell användning.

4. Magnetiska material: Hög hållfasthet, permanent magneter är en viktig komponent i datorer, hybridbilar, vindkraftverk och annan elektronisk och automatiserad utrustning. Små tillsatser av gallium används i vissa permanentmagneter, inklusive neodym-järn-bor (NdFeB) magneter.

5. Andra tillämpningar:

• Speciallegeringar och säljare
• Vättspeglar
• Med plutonium som kärnstabilisator
• Nickel-mangan-galliumminneslegering
• Petroleumkatalysator
• Biomedicinska tillämpningar, inklusive läkemedel (galliumnitrat)
• fosfor
• Neutrino-detektion

_källor:

_{Softpedia. Historik för lysdioder (ljusemitterande dioder).}

_{Källa: https://web.archive.org/web/20130325193932/http://gadgets.softpedia.com/news/History-of-LEDs-Light-Emitting-Diodes-1487-01.html}

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

_{Barratt, Curtis A. "III-V halvledare, en historik inom RF-applikationer." ECS Trans. 2009, bind 19, nummer 3, sidorna 79-84.}

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

_{USGS. Mineral Commodity Summaries: Gallium.}

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

_{SM-rapport. Biproduktmetaller: Förhållandet aluminium-gallium.}

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