Profil metalowy: Gal i diody LED

Gal jest korozyjnym, mniejszym metalem w kolorze srebrnym, który topi się w pobliżu temperatury pokojowej i jest najczęściej wykorzystywany do produkcji związków półprzewodnikowych.

• Symbol atomowy: Ga
• Liczba atomowa: 31
• Kategoria elementu: metal po przejściu
• Gęstość: 5,91 g / cm³ (w 73 ° F / 23 ° C)
• Temperatura topnienia: 29,76 ° C (85,58 ° F)
• Temperatura wrzenia: 2204 ° C (3999 ° F)
• Twardość Moha: 1,5

Czysty gal jest srebrzystobiały i topi się w temperaturach poniżej 29,4 ° C. Metal pozostaje w stanie stopionym do temperatury prawie 4000 ° F (2204 ° C), co daje mu największy zakres płynny ze wszystkich elementów metalowych.

Gal jest jednym z niewielu metali, który rozszerza się w miarę stygnięcia, zwiększając objętość o nieco ponad 3%.

Chociaż gal łatwo stapia się z innymi metalami, tak jest żrący, przenikając do sieci i osłabiając większość metali. Jednak jego niska temperatura topnienia czyni go przydatnym w niektórych stopach o niskiej temperaturze topnienia.

W przeciwieństwie do

Odkryty w 1875 r. Przez Paula-Emile'a Lecoqa de Boisbaudrana podczas badania rud sfalerytu, galu nie stosowano w żadnych komercyjnych zastosowaniach aż do drugiej połowy XX wieku.

Gal ma niewielkie zastosowanie jako metal konstrukcyjny, ale jego wartości w wielu nowoczesnych urządzeniach elektronicznych nie można lekceważyć.

Komercyjne zastosowania galu opracowane na podstawie wstępnych badań nad diodami elektroluminescencyjnymi (LED) i technologią półprzewodników III-V o częstotliwości radiowej (RF), które rozpoczęły się na początku lat 50. XX wieku.

W 1962 r. Badania fizyka IBM J.B. Gunna nad arsenkiem galu (GaAs) doprowadziły do ​​odkrycia oscylacji wysokiej częstotliwości prądu elektrycznego przepływającego przez pewne półprzewodzące ciała stałe - znane teraz jako „efekt Gunna”. Przełom ten utorował drogę do budowy wczesnych detektorów wojskowych przy użyciu diod Gunna (znanych również jako urządzenia do przesyłania elektronów), które były odtąd wykorzystywane w różnych urządzeniach automatycznych, od samochodowych detektorów radarowych i kontrolerów sygnałów po detektory wilgoci i włamywacze alarmy

Pierwsze diody LED i lasery oparte na GaA zostały wyprodukowane na początku lat 60. XX wieku przez naukowców z RCA, GE i IBM.

Początkowo diody LED były w stanie wytwarzać tylko niewidoczne fale świetlne w podczerwieni, ograniczając światło do czujników i aplikacji fotoelektronicznych. Ale ich potencjał jako energooszczędnych kompaktowych źródeł światła był oczywisty.

Na początku lat 60. firma Texas Instruments zaczęła oferować diody LED na rynku. W latach siedemdziesiątych wczesne cyfrowe systemy wyświetlania, stosowane w zegarkach i wyświetlaczach kalkulatorów, wkrótce zostały opracowane przy użyciu systemów podświetlania LED.

Dalsze badania w latach 70. i 80. XX wieku zaowocowały bardziej wydajnymi technikami osadzania, czyniąc technologię LED bardziej niezawodną i opłacalną. Rozwój związków półprzewodnikowych galu-glinu-arsenu (GaAlAs) zaowocował diodami LED, które były dziesięciokrotnie jaśniejsze niż poprzednie, a spektrum kolorów dostępne dla DOPROWADZIŁOZaawansowany jest także w oparciu o nowe, półprzewodnikowe podłoża zawierające gal, takie jak azotek indu i galu (InGaN), fosforek galu i arsenku (GaAsP) oraz fosforek galu (GaP).

Pod koniec lat 60. XX wieku badano również właściwości przewodzące GaA jako część źródeł energii słonecznej do eksploracji kosmosu. W 1970 r. Radziecki zespół badawczy stworzył pierwsze heterostrukturalne ogniwa słoneczne GaAs.

Krytyczne znaczenie dla produkcji urządzeń optoelektronicznych i układów scalonych (IC), popyt na wafle GaA wzrósł późno Lata 90. i początek XXI wieku w powiązaniu z rozwojem komunikacji mobilnej i energii alternatywnej technologie.

Nic dziwnego, że w odpowiedzi na rosnący popyt globalna produkcja galu pierwotnego w latach 2000–2011 wzrosła ponad dwukrotnie z około 100 ton metrycznych (MT) rocznie do ponad 300 MT.

Średnia zawartość galu w skorupie ziemskiej szacowana jest na około 15 części na milion, mniej więcej podobny do litu i powszechniejszy niż prowadzić. Metal jest jednak szeroko zdyspergowany i występuje w kilku ekonomicznie wydobywalnych bryłach rudy.

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 cynk wydobycie podczas rafinacji rudy sfalerytowej.

Podczas procesu Bayera rafinacji rudy glinu do tlenku glinu zmiażdżoną rudę przemywa się gorącym roztworem wodorotlenku sodu (NaOH). W ten sposób tlenek glinu przekształca się w glinian sodu, który osadza się w zbiornikach, podczas gdy ług sodowy zawierający obecnie gal jest zbierany do ponownego użycia.

Ponieważ ten płyn jest zawracany do obiegu, zawartość galu wzrasta po każdym cyklu, aż osiągnie poziom około 100-125 ppm. Mieszaninę można następnie pobrać i zatężyć jako galusan poprzez ekstrakcję rozpuszczalnikiem z użyciem organicznych środków chelatujących.

W kąpieli elektrolitycznej w temperaturach 40–60 ° C 104–140 ° F galusan sodu przekształca się w zanieczyszczony gal. Po przemyciu w kwasie można go następnie przesączyć przez porowate płytki ceramiczne lub szklane, aby uzyskać 99,9–99,99% galu metalicznego.

99,99% jest standardową klasą prekursorów dla aplikacji GaAs, ale nowe zastosowania wymagają wyższych czystości, które można osiągnąć ogrzewanie metalu pod próżnią w celu usunięcia lotnych pierwiastków lub oczyszczanie elektrochemiczne i krystalizacja frakcyjna metody

W ciągu ostatniej dekady znaczna część światowej produkcji galu przeniosła się do Chin, które obecnie dostarczają około 70% światowego galu. Inne pierwotnie produkujące kraje to Ukraina i Kazachstan.

Około 30% rocznej produkcji galu jest wydobywane ze złomu i surowców wtórnych, takich jak płytki IC zawierające GaAs. Większość recyklingu galu odbywa się w Japonii, Ameryce Północnej i Europie.

The US Geological Survey szacuje, że w 2011 r. wyprodukowano 310 MT rafinowanego galu.

Do największych światowych producentów należą Zhuhai Fangyuan, Beijing Jiya Semiconductor Materials i Recapture Metals Ltd.

Gdy stopowy gal ma tendencję do korozji lub tworzenia metali podobnych stal kruchy. Ta cecha, wraz z wyjątkowo niską temperaturą topnienia, oznacza, że ​​gal ma niewielkie zastosowanie w zastosowaniach strukturalnych.

W swojej postaci metalicznej gal jest stosowany w stopach lutowniczych i stopach niskotopliwych, takich jak Galinstan®, ale najczęściej występuje w materiałach półprzewodnikowych.

Główne zastosowania galu można podzielić na pięć grup:

1. Półprzewodniki: odpowiadające za około 70% rocznego zużycia galu, wafle GaAs są podstawą wielu nowoczesnych elektronicznych urządzenia, takie jak smartfony i inne urządzenia komunikacji bezprzewodowej, które polegają na oszczędności energii i możliwościach wzmocnienia Układy scalone GaAs.

2. Diody elektroluminescencyjne (LED): Od 2010 r. Światowe zapotrzebowanie na gal z sektora LED podwoiło się, dzięki zastosowaniu diod LED o wysokiej jasności w ekranach mobilnych i płaskich. Globalny ruch w kierunku większej efektywności energetycznej doprowadził również do wsparcia przez rząd zastosowania oświetlenia LED w porównaniu z tradycyjnym oświetleniem jarzeniowym i kompaktowym.

3. Energia słoneczna: Wykorzystanie galu w zastosowaniach związanych z energią słoneczną koncentruje się na dwóch technologiach:

• Koncentratory ogniw słonecznych GaAs
• Cienkowarstwowe ogniwa słoneczne z kadmu-indu-galu-selenku (CIGS)

Jako bardzo wydajne ogniwa fotowoltaiczne obie technologie odniosły sukces w wyspecjalizowaniu zastosowania, szczególnie związane z lotnictwem i wojskiem, ale wciąż napotykają bariery na dużą skalę użytek komercyjny.

4. Materiały magnetyczne: wysoka wytrzymałość, trwałe magnesy są kluczowym elementem komputerów, samochodów hybrydowych, turbin wiatrowych i różnych innych urządzeń elektronicznych i automatycznych. Małe dodatki galu są stosowane w niektórych magnesach trwałych, w tym w neodymużelazo-bor (NdFeB) magnesy.

5. Inne aplikacje:

• Stopy specjalne i lutowie
• Lustra zwilżające
• Z plutonem jako stabilizatorem jądrowym
• Nikiel-manganstopu z pamięcią kształtu gal
• Katalizator naftowy
• Zastosowania biomedyczne, w tym farmaceutyki (azotan galu)
• Fosfory
• Wykrywanie neutrin

_Źródła:

_{Softpedia. Historia diod LED (diody elektroluminescencyjne).}

_{Źródło: 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, Gall, Ind i Thallium”. 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.}

_{E. Schubert Fred. Diody emitujące światło. Rensselaer Polytechnic Institute, Nowy Jork. Maj 2003 r.}

_{USGS. Streszczenia surowców mineralnych: Gal.}

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

_{Raport SM. Metale uboczne: związek aluminium z galem.}

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