Metallprofil: Gallium- und LED-Leuchten

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

• Atomsymbol: Ga
• Ordnungszahl: 31
• Elementkategorie: Metall nach dem Übergang
• Dichte: 5,91 g / cm³ (bei 73 ° F / 23 ° C)
• Schmelzpunkt: 29,76 ° C (85,58 ° F)
• Siedepunkt: 2204 ° C (3999 ° F)
• Mohs Härte: 1,5

Reines Gallium ist silberweiß und schmilzt bei Temperaturen unter 29,4 ° C. Das Metall bleibt in einem geschmolzenen Zustand bis zu fast 4000 ° F (2204 ° C), was es zum größten Flüssigkeitsbereich aller Metallelemente macht.

Gallium ist eines der wenigen Metalle, das sich beim Abkühlen ausdehnt und sein Volumen um etwas mehr als 3% erhöht.

Gallium lässt sich zwar leicht mit anderen Metallen legieren, ist es aber korrosiv, diffundiert in das Gitter der meisten Metalle und schwächt sie. Sein niedriger Schmelzpunkt macht es jedoch in bestimmten Legierungen mit niedrigem Schmelzpunkt nützlich.

Im Gegensatz zu

Gallium wurde 1875 von Paul-Emile Lecoq de Boisbaudran bei der Untersuchung von Sphaleriterzen entdeckt und erst in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts für kommerzielle Anwendungen verwendet.

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

Kommerzielle Anwendungen von Gallium entwickelten sich aus den ersten Forschungen zu Leuchtdioden (LEDs) und III-V-Hochfrequenz (RF) -Halbleitertechnologie, die in den frühen 1950er Jahren begannen.

1962 führte die Forschung des IBM-Physikers J.B. Gunn zu Galliumarsenid (GaAs) zur Entdeckung einer hochfrequenten Schwingung des durch bestimmte Strom fließenden elektrischen Stroms halbleitende Feststoffe - jetzt als "Gunn-Effekt" bekannt. Dieser Durchbruch ebnete den Weg für den Bau früher Militärdetektoren unter Verwendung von Gunn-Dioden (auch bekannt als Transferelektronengeräte), die seitdem in verschiedenen automatisierten Geräten eingesetzt werden, von Autoradardetektoren und Signalsteuerungen bis hin zu Feuchtigkeitsgehaltsdetektoren und Einbrechern Alarm.

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 das Licht auf Sensoren und fotoelektronische Anwendungen beschränkten. Ihr Potenzial als energieeffiziente kompakte Lichtquellen war jedoch 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 wurden, bald unter Verwendung von LED-Hintergrundbeleuchtungssystemen entwickelt.

Weitere Forschungen in den 1970er und 1980er Jahren führten zu effizienteren Abscheidungstechniken, wodurch die LED-Technologie zuverlässiger und kostengünstiger wurde. Die Entwicklung von Gallium-Aluminium-Arsen (GaAlAs) -Halbleiterverbindungen führte zu LEDs, die zehnmal heller als zuvor waren, während das Farbspektrum für verfügbar war LEDs basiert auch auf neuen, Gallium enthaltenden halbleitenden Substraten wie Indium-Gallium-Nitrid (InGaN), Gallium-Arsenid-Phosphid (GaAsP) und Gallium-Phosphid (GaP).

In den späten 1960er Jahren wurden auch die leitfähigen Eigenschaften von GaAs als Teil von Solarenergiequellen für die Weltraumforschung untersucht. 1970 schuf ein sowjetisches Forscherteam die ersten GaAs-Solarzellen mit Heterostruktur.

Entscheidend für die Herstellung von optoelektronischen Bauelementen und integrierten Schaltkreisen (ICs) war die Nachfrage nach GaAs-Wafern in der späten Zeit stark gestiegen 1990er und Beginn des 21. Jahrhunderts im Zusammenhang mit der Entwicklung der Mobilkommunikation und der alternativen Energie Technologien.

Es überrascht nicht, dass sich die weltweite Produktion von primärem Gallium zwischen 2000 und 2011 als Reaktion auf diese wachsende Nachfrage von ungefähr 100 Tonnen (MT) pro Jahr auf über 300 Tonnen mehr als verdoppelt hat.

Der durchschnittliche Galliumgehalt in der Erdkruste wird auf etwa 15 ppm geschätzt, ähnlich wie Lithium und häufiger als führen. Das Metall ist jedoch weit verbreitet und in wenigen wirtschaftlich extrahierbaren Erzkörpern vorhanden.

Während der Raffination von Aluminiumoxid (Al2O3), einem Vorläufer von, werden derzeit 90% des gesamten produzierten primären Galliums aus Bauxit extrahiert Aluminium. Eine kleine Menge Gallium entsteht als Nebenprodukt von Zink Extraktion während der Raffination von Sphaleriterz.

Während des Bayer-Prozesses zum Raffinieren von Aluminiumerz zu Aluminiumoxid wird zerkleinertes Erz mit einer heißen Natriumhydroxidlösung (NaOH) gewaschen. Dadurch wird Aluminiumoxid in Natriumaluminat umgewandelt, das sich in Tanks absetzt, während die Natriumhydroxidlauge, die jetzt Gallium enthält, zur Wiederverwendung gesammelt wird.

Da diese Flotte recycelt wird, steigt der Galliumgehalt nach jedem Zyklus an, bis er ein Niveau von etwa 100 bis 125 ppm erreicht. Das Gemisch kann dann genommen und durch Lösungsmittelextraktion unter Verwendung organischer Chelatbildner als Gallat konzentriert werden.

In einem Elektrolytbad bei Temperaturen von 40 bis 60 ° C wird Natriumgallat in unreines Gallium umgewandelt. Nach dem Waschen in Säure kann dies dann durch poröse Keramik- oder Glasplatten filtriert werden, um 99,9-99,99% Galliummetall zu erzeugen.

99,99% ist die Standardvorläuferqualität für GaAs-Anwendungen, aber neue Verwendungen erfordern höhere Reinheiten, die durch erreicht werden können Erhitzen des Metalls unter Vakuum, um flüchtige Elemente zu entfernen, oder elektrochemische Reinigung und fraktionierte Kristallisation Methoden.

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

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

Das U.S. Geologische Befragung Schätzungen zufolge wurden 2011 310 Mio. t raffiniertes Gallium hergestellt.

Zu den weltweit größten Herstellern zählen Zhuhai Fangyuan, Beijing Jiya Semiconductor Materials und Recapture Metals Ltd.

Wenn legiertes Gallium dazu neigt, zu korrodieren oder Metalle wie zu machen Stahl spröde. Dieses Merkmal zusammen mit seiner extrem niedrigen Schmelztemperatur bedeutet, dass Gallium in strukturellen Anwendungen von geringem Nutzen ist.

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

Die Hauptanwendungen von Gallium können in fünf Gruppen eingeteilt werden:

1. Halbleiter: GaAs-Wafer machen etwa 70% des jährlichen Galliumverbrauchs aus und sind das Rückgrat vieler moderner Elektronikgeräte Geräte wie Smartphones und andere drahtlose Kommunikationsgeräte, die auf die Energieeinsparungs- und Verstärkungsfähigkeit von angewiesen sind GaAs-ICs.

2. Leuchtdioden (LEDs): Seit 2010 hat sich die weltweite Nachfrage nach Gallium aus dem LED-Sektor Berichten zufolge verdoppelt, da LEDs mit hoher Helligkeit in Mobil- und Flachbildschirmen verwendet werden. Der weltweite Schritt zu mehr Energieeffizienz hat auch dazu geführt, dass die Regierung den Einsatz von LED-Beleuchtung gegenüber Glühlampen und Kompaktleuchtstofflampen unterstützt.

3. Solarenergie: Galliums Einsatz in Solarenergieanwendungen konzentriert sich auf zwei Technologien:

• GaAs-Konzentrator-Solarzellen
• Dünnschichtsolarzellen aus Cadmium-Indium-Gallium-Selenid (CIGS)

Als hocheffiziente Photovoltaikzellen haben sich beide Technologien auf Spezialgebiete bewährt Anwendungen, insbesondere in Bezug auf Luft- und Raumfahrt und Militär, stehen jedoch immer noch vor großen Hindernissen Kommerzielle Benutzung.

4. Magnetische Materialien: Hochfest, dauerhaft Magnete sind eine Schlüsselkomponente von Computern, Hybridautos, Windkraftanlagen und verschiedenen anderen elektronischen und automatisierten Geräten. In einigen Permanentmagneten, einschließlich Neodym-, werden kleine Galliumzusätze verwendet.Eisen-Bor (NdFeB) Magnete.

5. Andere Anwendungen:

• Speziallegierungen und Lote
• Spiegel benetzen
• Mit Plutonium als Kernstabilisator
• Nickel-Mangan-Gallium-Formgedächtnislegierung
• Erdölkatalysator
• Biomedizinische Anwendungen, einschließlich Pharmazeutika (Galliumnitrat)
• Leuchtstoffe
• Neutrino-Erkennung

_Quellen:

_{Softpedia. Geschichte der LEDs (Leuchtdioden).}

_{Quelle: 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, Gallium, Indium and Thallium". Springer, ISBN 978-0-7514-0103-5}

_{Barratt, Curtis A. "III-V-Halbleiter, eine Geschichte in HF-Anwendungen." ECS Trans. 2009, Band 19, Ausgabe 3, Seiten 79-84.}

_{Schubert, E. Fred. Leuchtdioden. Rensselaer Polytechnic Institute, New York. Mai 2003.}

_{USGS. Mineral Commodity Summaries: Gallium.}

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

_{SM-Bericht. Nebenproduktmetalle: Die Aluminium-Gallium-Beziehung.}

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