Gallium on söövitav hõbedane väikemetall, mis sulab toatemperatuuri lähedal ja mida kasutatakse kõige sagedamini pooljuhtühendite tootmisel.
Omadused:
- Aatomisümbol: Ga
- Aatomarv: 31
- Elementide kategooria: siirdejärgne metall
- Tihedus: 5,91 g / cm3 (temperatuuril 23 ° C)
- Sulamistemperatuur: 29,76 ° C (85,58 ° F).
- Keemispunkt: 2204 ° C (3999 ° F)
- Mohi kõvadus: 1.5
Omadused:
Puhas gallium on hõbevalge ja sulab temperatuuril alla 29,4 ° C. Metall püsib sulanud olekus kuni temperatuurini 2204 ° C ligi 4000 ° F, andes sellele kõigi metallielementide suurima vedelikuvahemiku.
Gallium on üks väheseid metalle, mis jahutamisel paisub, suurendades mahtu pisut üle 3%.
Kuigi gallium sulandub kergesti teiste metallidega, on söövitav, hajub enamiku metallide võre ja nõrgestab neid. Selle madal sulamistemperatuur muudab selle siiski kasulikuks teatavates madala sulamistemperatuuriga sulamites.
Vastupidiselt elavhõbe, mis on toatemperatuuril samuti vedel, niisutab gallium nii nahka kui ka klaasi, muutes selle käsitsemise raskemaks. Gallium pole peaaegu nii mürgine kui elavhõbe.
Ajalugu:
Paul-Emile Lecoq de Boisbaudran avastas 1875. aastal sphaleriidimaakide uurimisel galliumi kaubanduslikes rakendustes kuni 20. sajandi lõpupoole.
Galliumist on konstruktsioonimetallina vähe kasu, kuid selle väärtust paljudes kaasaegsetes elektroonikaseadmetes ei saa alahinnata.
Galliumi äriliseks kasutuseks välja töötatud valgusdioodide (LED) ja III-V raadiosagedusliku (RF) pooljuhtetehnoloogia esialgsed uuringud, mis algasid 1950. aastate alguses.
1962. aastal viis IBM-i füüsiku J.B. Gunn'i uurimus galliumarseniidi (GaAs) kohta teatud elektriahelate kaudu voolava elektrivoolu kõrgsagedusliku võnkumise avastamiseni pooljuhid tahked ained - nüüd tuntud kui „Gunn-efekt“. See läbimurre sillutas teed varajaste sõjaliste detektorite ehitamiseks Gunni dioodide (tuntud ka kui siirde-elektronide seadmed), mida on sellest ajast alates kasutatud erinevates automatiseeritud seadmetes, alates autoradari detektoritest ja signaalikontrolleritest kuni niiskusesisalduse detektorite ja sissemurdjateni alarmid.
Esimesed GaA-del põhinevad LED-id ja laserid toodeti 1960. aastate alguses RCA, GE ja IBMi teadlaste poolt.
Algselt suutsid LED-id toota ainult nähtamatuid infrapunakiirgust, piirates tulesid anduritele ja fotoelektroonilisi rakendusi. Kuid nende potentsiaal energiatõhusate kompaktsete valgusallikatena oli ilmne.
1960. aastate alguseks hakkas Texas Instruments LED-e müüma. 1970. aastateks olid varakult digitaalsed ekraanisüsteemid, mida kasutati kellades ja kalkulaatoriekraanides, peagi LED-taustvalgustussüsteemide abil välja töötatud.
Edasised uuringud 1970. ja 1980. aastatel andsid tulemuseks tõhusamad sadestustehnikad, muutes LED-tehnoloogia usaldusväärsemaks ja kulutõhusamaks. Gaalium-alumiinium-arseen (GaAlAs) pooljuhtseadiste väljatöötamine andis LED-id, mis olid kümme korda heledamad kui eelmine, samas kui värvispekter LEDSamuti on täiustatud uute galliumit sisaldavate pooljuhtivate substraatide, näiteks indium-galliumnitriidi (InGaN), gallium-arseniid-fosfiidi (GaAsP) ja galliumfosfiidi (GaP) baasil.
1960. aastate lõpuks oli GaA juhtivusi uuritud ka kosmoseuuringute päikeseenergia allikate osana. Nõukogude uurimisrühm lõi 1970. aastal esimesed GaAs heterostruktuuriga päikeseelemendid.
Kriitiline optoelektroonikaseadmete ja integraallülituste (IC) valmistamisel, nõudlus GaA-plaatide järele tõusis hilja 1990. aastad ja 21. sajandi algus seoses mobiilside ja alternatiivse energia arenguga tehnoloogiad.
Pole üllatav, et reageerides sellele kasvavale nõudlusele, suurenes ülemaailmne primaarse galliumi toodang aastatel 2000 kuni 2011 enam kui kahekordseks - umbes 100 tonnilt (MT) aastas kuni üle 300 MT.
Tootmine:
Keskmine galliumisisaldus maakoores on hinnanguliselt umbes 15 osa miljonis, mis on umbes sarnane liitiumiga ja tavalisem kui plii. Metall on aga laiali hajutatud ja seda leidub vähestes majanduslikult ekstraheeritavates maakides.
Praegu toodetakse 90% kogu primaarsest galliumist boksiidist alumiiniumoksiidi (Al2O3) rafineerimisel, mis on alumiinium. Selle kõrvalsaadusena toodetakse väike kogus galliumit tsink ekstraheerimine sfaleriidimaagi rafineerimise ajal.
Alumiiniumimaagi alumiiniumoksiidiks puhastamise Bayeri protsessi käigus pestakse purustatud maagi kuuma naatriumhüdroksiidi (NaOH) lahusega. See muundab alumiiniumoksiidi naatriumaluminaadiks, mis settib mahutitesse, samal ajal kui galliumit sisaldav naatriumhüdroksiidi lahus kogutakse taaskasutamiseks.
Kuna see vedelik võetakse ringlusse, suureneb galliumisisaldus pärast iga tsüklit, kuni see jõuab tasemele umbes 100-125 ppm. Seejärel võib segu võtta ja kontsentreerida gallaadina, ekstraheerides lahustiga orgaanilisi kelaativaid aineid kasutades.
Elektrolüütilises vannis temperatuuril 104–140 ° F (40–60 ° C) muundatakse naatriumgallaat ebapuhtaks galliumiks. Pärast happes pesemist võib selle seejärel filtrida läbi poorsete keraamiliste või klaasplaatide, saades galliummetalli 99,9-99,99%.
99,99% on GaA-rakenduste standardne eelkäija klass, kuid uued kasutusalad nõuavad suuremat puhtust, mida saab saavutada metalli kuumutamine vaakumis lenduvate elementide eemaldamiseks või elektrokeemiline puhastamine ja fraktsioneeriv kristallimine meetodid.
Viimase kümnendi jooksul on suur osa maailma primaarsest galliumitootmisest kolinud Hiinasse, kes nüüd tarnib umbes 70% kogu galliumist. Muud esmatootjad on Ukraina ja Kasahstan.
Ligikaudu 30% galliumitoodangust toodetakse aastas jääkidest ja taaskasutatavatest materjalidest, näiteks GaA-sid sisaldavad IC-vahvlid. Enamik galliumi ringlussevõttu toimub Jaapanis, Põhja-Ameerikas ja Euroopas.
USA geoloogiakeskus hindab, et 2011. aastal toodeti 310MT rafineeritud galliumi.
Maailma suurimate tootjate hulka kuuluvad Zhuhai Fangyuan, Pekingi Jiya Semiconductor Materials ja Recapture Metals Ltd.
Rakendused:
Kui legeeritud gallium kipub söövitama või muudab metalle sarnaseks teras rabe. See omadus koos ülimadala sulamistemperatuuriga tähendab, et galliumist on konstruktsioonirakendustes vähe kasu.
Selle metallilises vormis kasutatakse galliumi joodistes ja madala sulamisulatusega sulamites, näiteks Galinstan®, kuid seda leidub kõige sagedamini pooljuhtmaterjalides.
Galliumi peamised rakendused võib jagada viide rühma:
1. Pooljuhid: GaAs-vahvlid, mis moodustavad umbes 70% aastasest galliumitarbimisest, on paljude tänapäevaste elektrooniliste toodete selgroog seadmed, nagu nutitelefonid ja muud traadita side seadmed, mis sõltuvad Interneti - ühenduse energiasäästu - ja võimendusvõimalustest GaAs IC-d.
2. Valgusdioodid (LED-id): Alates 2010. aastast on LED-sektori galliumi nõudlus ülemaailmselt kahekordistunud tänu suure heledusega LED-ide kasutamisele mobiil- ja lameekraanide ekraanides. Ülemaailmne liikumine suurema energiatõhususe suunas on ka toonud kaasa valitsuse toetuse LED-valgustite kasutamisele hõõguva ja kompaktse luminofoorvalgustuse kohal.
3. Päikeseenergia: Galliumi kasutamine päikeseenergia rakendustes on keskendunud kahele tehnoloogiale:
- GaAs kontsentraatori päikesepatareid
- Kaadmium-indium-gallium-seleniid (CIGS) õhukese kilega päikeseelemendid
Ülimalt tõhusate fotogalvaaniliste elementidena on mõlemad tehnoloogiad olnud edukad spetsialiseerunud rakendused, eriti seoses kosmose ja sõjaväega, kuid seisavad silmitsi suuremahuliste tõketega äriliseks kasutamiseks.
4. Magnetilised materjalid: kõrge tugevusega, püsiv magnetid on arvutite, hübriidautode, tuuleturbiinide ja mitmesuguste muude elektrooniliste ja automatiseeritud seadmete põhikomponent. Mõnedes püsimagnetites, sealhulgas neodüümi-rauda-boor (NdFeB) magnetid.
5. Muud rakendused:
- Spetsiaalsed sulamid ja joodised
- Niisutavad peeglid
- Tuuma stabilisaatorina plutooniumiga
- Nikkel-mangaan-galliumikujuline mälusulam
- Naftakatalüsaator
- Biomeditsiinilised rakendused, sealhulgas ravimid (galliumnitraat)
- Fosforid
- Neutrino tuvastamine
Allikad:
Softpedia. LED-ide ajalugu (valgusdioodid).
Allikas: https://web.archive.org/web/20130325193932/http://gadgets.softpedia.com/news/History-of-LEDs-Light-Emitting-Diodes-1487-01.html
Anthony John Downs, (1993), "Alumiiniumi, gaaliumi, indiumi ja talliumi keemia". Springer, ISBN 978-0-7514-0103-5
Barratt, Curtis A. "III-V pooljuhid, raadiosagedusrakenduste ajalugu." ECS Trans. 2009, 19. köide, 3. väljaanne, lk 79–84.
Schubert, E. Fred. Valgusdioodid. Rensselaeri Polütehniline Instituut, New York. Mai 2003.
USGS. Mineraalainete kokkuvõtted: Gallium.
Allikas: http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/gallium/index.html
SM aruanne. Kõrvalproduktide metallid: alumiiniumi ja galliumi suhe.
URL: www.strategic-metal.typepad.com