Metall Profil: Gallium

Gallium ist ein korrosives, silberfarbenes Nebenmetall, das nahe Raumtemperatur schmilzt und am häufigsten bei der Herstellung von Halbleiterverbindungen verwendet wird.

Eigenschaften:

• Atomsymbol: Ga
• Ordnungszahl: 31
• Element Kategorie: Post-Übergangsmetall
• Dichte: 5. 91 g / cm³ (bei 73 ° F / 23 ° C)
• Schmelzpunkt: 85. 58ºF (29,76ºC)
• Siedepunkt: 3999ºF (2204ºC)
• Mohs-Härte: 1, 5

Eigenschaften:

Reines Gallium ist silbrig-weiß und schmilzt bei Temperaturen unter 85 ° F (29. 4 ° C).

Das Metall verbleibt in einem geschmolzenen Zustand bis zu fast 4000 ° F (2204 ° C), was ihm den größten Flüssigkeitsbereich aller Metallelemente gibt.

Gallium ist eines von nur wenigen Metallen, das sich beim Abkühlen ausdehnt und um etwas mehr als 3% an Volumen zunimmt.

Obwohl Gallium leicht mit anderen Metallen legiert, ist es korrosiv, diffundiert in das Gitter und schwächt die meisten Metalle. Sein niedriger Schmelzpunkt macht es jedoch in bestimmten niedrig schmelzenden Legierungen nützlich.

Im Gegensatz zu Quecksilber, das auch bei Raumtemperatur flüssig ist, benetzt Gallium sowohl die Haut als auch das Glas, was die Handhabung erschwert. Dennoch ist Gallium nicht annähernd so giftig wie Quecksilber.

Geschichte:

1875 von Paul-Emile Lecoq de Boisbaudran entdeckt, wurde Gallium bei der Untersuchung von Sphalerit-Erzen bis zur zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts in keiner kommerziellen Anwendung mehr verwendet.

Gallium ist als Strukturmetall von geringem Nutzen, aber sein Wert in vielen modernen elektronischen Geräten kann nicht unterschätzt werden.

Kommerzielle Anwendungen von Gallium wurden aus der anfänglichen Forschung an Leuchtdioden (LEDs) und III-V Hochfrequenz (HF) Halbleitertechnologie entwickelt, die in den frühen 1950er Jahren begann.

Im Jahr 1962 führte die Forschung des IBM-Physikers J. B. Gunn zu Galliumarsenid (GaAs) zur Entdeckung einer hochfrequenten Oszillation des elektrischen Stroms, der durch bestimmte halbleitende Festkörper fließt - heute bekannt als der "Gunn-Effekt".

Dieser Durchbruch ebnete den Weg für die Herstellung früher militärischer Detektoren mit Gunn-Dioden (auch bekannt als Transferelektronen-Geräte), die seitdem in verschiedenen automatisierten Geräten eingesetzt werden, von Autoradardetektoren und Signalcontrollern bis hin zu Feuchtigkeitsdetektoren und Alarmanlagen ..

Die ersten LEDs und Laser auf GaAs-Basis wurden Anfang der 1960er Jahre von Forschern von RCA, GE und IBM hergestellt.

Anfänglich konnten LEDs nur unsichtbare Infrarotlichtwellen erzeugen, die die Lichter auf den Sensor begrenzten, und photoelektronische Anwendungen. Aber ihr Potenzial als energieeffiziente Kompaktlichtquelle war offensichtlich.

In den frühen 1960er Jahren begann Texas Instruments, LEDs kommerziell anzubieten. In den 1970er Jahren wurden frühe digitale Anzeigesysteme, die in Uhren und Taschenrechneranzeigen verwendet werden, bald unter Verwendung von LED-Hintergrundbeleuchtungssystemen entwickelt.

Weitere Forschungsarbeiten in den 1970er und 1980er Jahren führten zu effizienteren Abscheidetechniken, wodurch die LED-Technologie zuverlässiger und kostengünstiger wurde. Die Entwicklung von Gallium-Aluminium-Arsen (GaAlAs) -Halbleiterverbindungen führte zu LEDs, die zehnmal heller als vorher waren, während das für LEDs verfügbare Farbspektrum auch auf neuen, Gallium enthaltenden halbleitenden Substraten, wie Indium- Galliumnitrid (InGaN), Galliumarsenidphosphid (GaAsP) und Galliumphosphid (GaP).

Ende der 1960er Jahre wurden GaAs-leitende Eigenschaften auch als Teil von Solarenergiequellen für die Weltraumforschung erforscht. Im Jahr 1970 schuf ein sowjetisches Forscherteam die ersten GaAs-Heterostruktur-Solarzellen.

Von entscheidender Bedeutung für die Herstellung von optoelektronischen Bauelementen und integrierten Schaltkreisen (ICs), stieg die Nachfrage nach GaAs-Wafern Ende der 1990er Jahre und Anfang des 21. Jahrhunderts im Zusammenhang mit der Entwicklung von Mobilkommunikation und alternativen Energietechnologien.

Es ist nicht überraschend, dass sich die globale Primärgalliumproduktion zwischen 2000 und 2011 von etwa 100 Tonnen pro Jahr auf über 300 Mio. Tonnen mehr als verdoppelt hat.

Produktion:

Der durchschnittliche Galliumgehalt in der Erdkruste wird auf 15 Teile pro Million geschätzt, ähnlich wie bei Lithium und häufiger als bei Blei.

Das Metall ist jedoch weit verbreitet und in einigen wirtschaftlich extrahierbaren Erzkörpern vorhanden.

Bis zu 90% des gesamten produzierten Primärgalliums werden derzeit bei der Raffination von Aluminiumoxid (Al2O3), einem Vorläufer von Aluminium, aus Bauxit gewonnen. Eine kleine Galliummenge wird als Nebenprodukt der Zinkgewinnung während der Raffination von Sphaleriterz gewonnen.

Während des Bayer-Prozesses des Raffinierens von Aluminiumerz zu Aluminiumoxid wird zerkleinertes Erz mit einer heißen Lösung von Natriumhydroxid (NaOH) gewaschen. Dies wandelt Aluminiumoxid in Natriumaluminat um, das sich in Tanks absetzt, während die Natriumhydroxidflüssigkeit, die jetzt Gallium enthält, zur Wiederverwendung gesammelt wird.

Da diese Flüssigkeit recycelt wird, nimmt der Galliumgehalt nach jedem Zyklus zu, bis er ein Niveau von etwa 100 bis 125 ppm erreicht. Die Mischung kann dann entnommen und als Gallat über Lösungsmittelextraktion unter Verwendung von organischen Chelatbildnern konzentriert werden.

In einem Elektrolysebad bei Temperaturen von 104-140 ° F (40-60 ° C) wird Natriumgalleat in unreines Gallium umgewandelt. Nach dem Waschen in Säure kann dieses dann durch poröse Keramik- oder Glasplatten filtriert werden, um 99,9-99 zu erzeugen. 99% Galliummetall.

99. 99% ist die Standardvorläufersorte für GaAs-Anwendungen, aber neue Anwendungen erfordern höhere Reinheiten, die erreicht werden können, indem das Metall unter Vakuum erhitzt wird, um flüchtige Elemente oder elektrochemische Reinigungs- und fraktionierte Kristallisationsverfahren zu entfernen.

In den letzten zehn Jahren ist ein Großteil der weltweiten Galliumproduktion nach China verlagert worden, die heute etwa 70% des weltweiten Galliums liefert. Andere primäre produzierende Nationen sind die Ukraine und Kasachstan.

Etwa 30% der jährlichen Galliumproduktion wird aus Schrott und recycelbaren Materialien wie GaAs-haltigen IC-Wafern gewonnen.Das meiste Galliumrecycling findet in Japan, Nordamerika und Europa statt.

Die US Geological Survey schätzt, dass 310MT von raffiniertem Gallium im Jahr 2011 produziert wurde.

Die weltweit größten Produzenten sind Zhuhai Fangyuan, Beijing Jiya Halbleitermaterialien und Recapture Metals Ltd.

Anwendungen:

Bei legiertem Gallium neigt dazu, Metalle wie Stahl zu zersetzen oder zu verspröden. Dieses Merkmal, zusammen mit seiner extrem niedrigen Schmelztemperatur, bedeutet, dass Gallium bei strukturellen Anwendungen von geringem Nutzen ist.

In seiner metallischen Form wird Gallium in Loten und niedrigschmelzenden Legierungen wie Galinstan® eingesetzt, aber am häufigsten in Halbleitermaterialien.

Galliums Hauptanwendungen können in 5 Gruppen eingeteilt werden:

1. Halbleiter: GaAs-Wafer, die etwa 70% des jährlichen Galliumverbrauchs ausmachen, sind das Rückgrat vieler moderner elektronischer Geräte wie Smartphones und anderer drahtloser Kommunikationsgeräte, die auf die Energiespar- und Verstärkungsfähigkeit von GaAs-ICs angewiesen sind.

2. Licht emittierende Dioden (LEDs): Seit 2010 hat sich die weltweite Nachfrage nach Gallium aus dem LED-Sektor angeblich verdoppelt, dank der Verwendung von LEDs mit hoher Helligkeit in mobilen und Flachbildschirmen. Der weltweite Schritt hin zu mehr Energieeffizienz hat auch zu staatlicher Unterstützung für den Einsatz von LED-Beleuchtung gegenüber Glühbirnen und Kompaktleuchtstofflampen geführt.

3. Solarenergie: Der Einsatz von Gallium in Solarenergieanwendungen konzentriert sich auf zwei Technologien:

• GaAs-Konzentratorsolarzellen
• Cadmium-Indium-Gallium-Selenid (CIGS) Dünnschichtsolarzellen

Als hocheffiziente Solarzellen, beide Technologien haben in spezialisierten Anwendungen Erfolg gehabt, insbesondere in Bezug auf Luft- und Raumfahrt und Militär, sind jedoch nach wie vor Hindernissen für eine großangelegte kommerzielle Nutzung ausgesetzt.

4. Magnetische Materialien: Hochfeste Permanentmagnete sind eine Schlüsselkomponente von Computern, Hybridautomobilen, Windturbinen und verschiedenen anderen elektronischen und automatisierten Geräten. Kleine Zusätze von Gallium werden in einigen Permanentmagneten verwendet, einschließlich Neodym-Eisen-Bor (NdFeB) -Magneten.

5. Andere Anwendungen:

• Speziallegierungen und Lote
• Benetzungsspiegel
• Mit Plutonium als Kernstabilisator
• Nickel-Mangan-Gallium-Formgedächtnislegierung
• Petroleumkatalysator
• Biomedizinische Anwendungen, einschließlich Pharmazeutika (Gallium Nitrat)
• Phosphore
• Neutrinodetektion

_Quellen:

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