Kim loại Profile: Gallium

Gallium là một loại kim loại nhỏ màu ăn mòn, tan chảy ở nhiệt độ phòng và thường được sử dụng trong sản xuất các hợp chất bán dẫn.

Tài sản:

• Ký hiệu nguyên tử: Ga
• Số nguyên tử: 31
• Loại nguyên tố: kim loại sau khi chuyển tiếp
• Mật độ: 5. 91 g / cm³ (ở 73 ° F / 23 ° C)
• Điểm nóng chảy: 85. 58 ° F (29. 76 ° C)
• Điểm sôi: 3999 ° F (2204 ° C)
• Độ cứng của Moh: 1. 5

Các đặc tính:

Tỉ lệ gali tinh khiết bạc trắng và nóng chảy ở nhiệt độ dưới 85 ° F (29,4 ° C).

Kim loại này vẫn ở trạng thái tan chảy lên đến gần 4.000 o F (2204 o C), cho nó phạm vi chất lỏng lớn nhất của tất cả các phần tử kim loại.

Gallium là một trong số ít kim loại phát triển khi nó nguội, tăng chỉ khoảng 3%.

Mặc dù gali dễ dàng hợp hợp với các kim loại khác, nó có tính ăn mòn, khuếch tán vào mạng lưới, và làm suy yếu hầu hết các kim loại. Tuy nhiên, điểm nóng chảy thấp của nó làm cho nó có ích trong một số hợp kim nóng chảy thấp.

Trái ngược với thủy ngân, cũng là chất lỏng ở nhiệt độ phòng, gallium làm cho da và thủy tinh làm cho khó xử lý hơn. Tuy nhiên, gallium không gần như độc như thuỷ ngân.

Lịch sử:

Được phát hiện vào năm 1875 bởi Paul-Emile Lecoq de Boisbaudran khi khảo sát các quặng sphalerit, gallium không được sử dụng trong bất kỳ ứng dụng thương mại nào cho đến cuối thế kỷ 20.

Gallium ít được sử dụng như là một kim loại kết cấu, nhưng giá trị của nó trong nhiều thiết bị điện tử hiện đại không thể được understated.

Các ứng dụng thương mại của gallium được phát triển từ những nghiên cứu ban đầu về điốt phát quang (LED) và công nghệ bán dẫn tần số vô tuyến tần số RF (RF) III-V, bắt đầu vào đầu những năm 1950.

Năm 1962, nhà nghiên cứu vật lý của IBM J. B. Gunn nghiên cứu về gallium arsenide (GaAs) đã dẫn tới sự phát hiện dao động tần số cao của dòng điện chảy qua chất rắn bán dẫn nhất định - bây giờ được gọi là "Hiệu ứng Gunn".

Bước đột phá này đã mở đường cho các máy dò quân sự sớm được chế tạo bằng cách sử dụng điốt Gunn (còn được gọi là thiết bị điện chuyển) từ đó được sử dụng trong các thiết bị tự động khác nhau, từ thiết bị dò radar và điều khiển tín hiệu cho các thiết bị dò độ ẩm và báo động trộm .

Các đèn LED và laser đầu tiên dựa trên GaAs được sản xuất vào đầu những năm 1960 bởi các nhà nghiên cứu tại RCA, GE và IBM.

Ban đầu, đèn LED chỉ có thể tạo ra ánh sáng hồng ngoại vô hình, hạn chế ánh sáng tới cảm biến và các ứng dụng điện tử hình ảnh. Nhưng tiềm năng của họ như là nguồn năng lượng hiệu quả năng lượng nhỏ gọn đã được hiển nhiên.

Đầu những năm 1960, Texas Instruments đã bắt đầu cung cấp đèn LED cho mục đích thương mại. Vào những năm 1970, những hệ thống hiển thị kỹ thuật số đầu tiên, được sử dụng trong đồng hồ và màn hình máy tính, sớm được phát triển bằng hệ thống đèn nền LED.

Nghiên cứu sâu hơn vào những năm 1970 và 1980 dẫn đến các kỹ thuật lắng đọng hiệu quả hơn, làm cho công nghệ LED trở nên đáng tin cậy và tiết kiệm chi phí. Sự phát triển các hợp chất bán dẫn gali-nhôm-arsenic (GaAlAs) dẫn đến đèn LED sáng hơn mười lần so với trước đó, trong khi phổ màu cho đèn LED cũng tiên tiến dựa trên các chất bán dẫn mới, chứa gali, như chất dẻo indium- gallium-nitride (InGaN), gallium-arsenide phosphide (GaAsP), và gallium-phosphide (GaP).

Đến cuối những năm 1960, tính chất dẫn điện của GaAs cũng đang được nghiên cứu như là một phần của nguồn năng lượng mặt trời để thăm dò vũ trụ. Năm 1970, một nhóm nghiên cứu Liên Xô đã tạo ra các tế bào năng lượng mặt trời của GaAs đầu tiên.

Quan trọng cho việc sản xuất các thiết bị quang điện và mạch tích hợp (IC), nhu cầu về các tấm kính GaAs đã tăng lên vào cuối những năm 90 và đầu thế kỷ 21 tương quan với sự phát triển của công nghệ truyền thông di động và các công nghệ năng lượng thay thế.

Không có gì đáng ngạc nhiên khi đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng này, từ năm 2000 đến năm 2011 sản lượng gallium sơ cấp toàn cầu tăng hơn gấp đôi từ khoảng 100 tấn mỗi năm lên trên 300 tấn.

Sản xuất:

Hàm lượng gallium trung bình trong vỏ trái đất ước tính khoảng 15 phần triệu, tương đương với lithium và phổ biến hơn chì.

Kim loại, tuy nhiên, được phân tán rộng rãi và hiện diện trong một vài thân quặng có khả năng khai thác kinh tế.

Có tới 90% tổng lượng gallium nguyên sinh được chiết xuất từ ​​bauxite trong quá trình tinh chế alumina (Al2O3), tiền thân của nhôm. Một gallium nhỏ được sản xuất như là một sản phẩm phụ của việc tách kẽm trong quá trình tinh luyện quặng sphalerite.

Trong quy trình Bayer tinh chế quặng nhôm cho alumina, quặng nghiền được rửa bằng dung dịch natri hydroxyd nóng (NaOH). Điều này chuyển đổi alumina thành aluminat natri, lắng xuống trong bể, trong khi dung dịch natri hydroxit hiện đang chứa gallium được thu thập để tái sử dụng.

Vì rượu này được tái chế nên hàm lượng gallium tăng lên sau mỗi chu kỳ cho đến khi nó đạt đến mức độ 100-125ppm. Hỗn hợp sau đó có thể được lấy và cô đặc bằng gallate qua dung môi chiết xuất bằng các chất chelating hữu cơ.

Trong dung dịch điện phân ở nhiệt độ 104-140 ° F (40-60 ° C), natri galleate được chuyển thành gỉ không sạch. Sau khi rửa axit, sau đó có thể lọc qua các tấm gốm hoặc kính để tạo ra 99. 9-99. 99% gallium kim loại.

99. 99% là lớp tiền thân chuẩn cho các ứng dụng GaAs, nhưng các ứng dụng mới đòi hỏi độ tinh khiết cao hơn có thể đạt được bằng cách gia nhiệt kim loại dưới chân không để loại bỏ các nguyên tố dễ bay hơi hoặc tinh chế bằng điện hóa và các phương pháp kết tinh phân đoạn.

Trong thập kỷ qua, phần lớn sản lượng gallium chính của thế giới đã chuyển sang Trung Quốc, hiện cung cấp khoảng 70% gallium trên thế giới. Các quốc gia sản xuất chính khác bao gồm Ukraine và Kazakhstan.

Khoảng 30% sản lượng gali hàng năm được chiết xuất từ ​​phế liệu và các vật liệu có thể tái chế như các băng tải IC chứa GaAs.Hầu hết việc tái chế gali xảy ra ở Nhật Bản, Bắc Mỹ và Châu Âu.

Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ ước tính 310mT gallium tinh chế được sản xuất trong năm 2011.

Các nhà sản xuất lớn nhất thế giới bao gồm Zhuhai Fangyuan, Beijing Jiya Semiconductor Materials, và Recapture Metals Ltd.

Ứng dụng:

có xu hướng ăn mòn hoặc làm cho kim loại như thép giòn. Đặc điểm này, cùng với nhiệt độ nóng chảy rất thấp, có nghĩa là gallium ít được sử dụng trong các ứng dụng kết cấu.

Trong dạng kim loại của nó, gallium được sử dụng trong chất hàn và các hợp kim nóng chảy thấp như Galinstan®, nhưng thường được tìm thấy trong vật liệu bán dẫn.

Các ứng dụng chính của Gallium có thể được phân thành 5 nhóm:

1. Bán dẫn: chiếm khoảng 70% lượng tiêu thụ gallium hàng năm, các tấm GaAs là xương sống của nhiều thiết bị điện tử hiện đại, chẳng hạn như điện thoại thông minh và các thiết bị truyền thông không dây khác dựa vào khả năng tiết kiệm năng lượng và khả năng khuếch đại của IC GaAs.

2. Đèn phát sáng (LED): Từ năm 2010, nhu cầu toàn cầu về gallium từ ngành LED đã tăng lên gấp đôi do sử dụng đèn LED có độ sáng cao trên màn hình hiển thị màn hình phẳng và di động. Động thái toàn cầu hướng tới hiệu quả sử dụng năng lượng cao hơn cũng đã dẫn đến sự hỗ trợ của chính phủ đối với việc sử dụng ánh sáng LED chiếu sáng so với ánh sáng huỳnh quang.

3. Năng lượng mặt trời: Sử dụng trong các ứng dụng năng lượng mặt trời của Gallium tập trung vào hai công nghệ:

GaAs pin mặt trời tập trung

Pin mặt trời màng mỏng cadmium-indium-gallium-selenide (CIGS)

• Khi các tế bào quang điện hiệu quả cao, đã có thành công trong các ứng dụng chuyên biệt, đặc biệt liên quan đến hàng không và quân sự nhưng vẫn phải đối mặt với những rào cản đối với việc sử dụng thương mại quy mô lớn.
• 4. Vật liệu từ tính: Độ bền cao, nam châm vĩnh cửu là thành phần quan trọng của máy tính, ô tô lai, tuabin gió và nhiều thiết bị điện tử và tự động khác. Nhỏ bổ sung gallium được sử dụng trong một số nam châm vĩnh cửu, bao gồm nam châm neodymi sắt-boron (NdFeB).

5. Các ứng dụng khác:

Các hợp kim đặc biệt và chất hàn

Gương ướt

• Với plutonium làm chất ổn định hạt nhân
• Hợp chất nhớt nickel-mangan-gali
• Chất xúc tác dầu mỏ
• Các ứng dụng y sinh học, nitrate)
• Phốt phát
• Phát hiện Neutrino
• Nguồn:
• Softpedia. Lịch sử của LED (Đèn phát sáng).

_{Nguồn: // web. lưu trữ. org / web / 20130325193932 / // gadgets. softpedia. com / news / Lịch sử-của-LEDs-Light-Emitting-Diodes-1487-01. html Anthony John Downs, (1993), "Hóa học của Nhôm, Gallium, Ấn Độ, và Thallium". Springer, ISBN 978-0-7514-0103-5}

_{Barratt, Curtis A. "Các sản phẩm bán dẫn III-V, Lịch sử ứng dụng RF".}

_{ECS Trans}

_{. 2009, Tập 19, Số phát hành 3, Các trang 79-84.}

_{Schubert, E. Fred. Đèn phát sáng . Học viện Bách khoa Rensselaer, New York. Tháng 5 năm 2003.}

_{USGS. Khoáng sản tóm tắt: Gallium. Nguồn: // minerals. usgs. gov / mineral / pubs / commodity / gallium / index. html Báo cáo SM.}

_{Kim loại phụ Sản phẩm: Mối quan hệ giữa nhôm và Gallium}

_.

_{URL: www. chiến lược kim loại. typepad. com}