الغاليوم هو معدن ثانوي تآكل فضي اللون يذوب بالقرب من درجة حرارة الغرفة وغالبا ما يستخدم في إنتاج مركبات أشباه الموصلات.
الخصائص:
- الرمز الذري: Ga
- الرقم الذري: 31
- فئة العنصر: معدن ما بعد النقل
- الكثافة: 5.91 جم / سم 3 (عند 73 درجة فهرنهايت / 23 درجة مئوية)
- نقطة الانصهار: 85.58 درجة فهرنهايت (29.76 درجة مئوية)
- نقطة الغليان: 3999 درجة فهرنهايت (2204 درجة مئوية)
- صلابة محمد: 1.5
مميزات:
الغاليوم النقي أبيض فضي ويذوب عند درجات حرارة أقل من 85 درجة فهرنهايت (29.4 درجة مئوية). يبقى المعدن في حالة ذوبان تصل إلى ما يقرب من 4000 درجة فهرنهايت (2204 درجة مئوية) ، مما يمنحه أكبر مجموعة سائلة من جميع العناصر المعدنية.
الجاليوم هو واحد من عدد قليل من المعادن التي تتوسع أثناء تبريدها ، حيث يزداد حجمها بما يزيد قليلاً عن 3 ٪.
على الرغم من أن الغاليوم بسهولة مع معادن أخرى ، فهو كذلك آكلمنتشرًا في شبكية معظم المعادن. ومع ذلك ، فإن نقطة انصهاره المنخفضة تجعله مفيدًا في بعض السبائك منخفضة الذوبان.
في مقابل الزئبق، وهو سائل أيضًا في درجات حرارة الغرفة ، يبلل الغاليوم الجلد والزجاج ، مما يجعل التعامل معه أكثر صعوبة. الجاليوم ليس سامًا مثل الزئبق.
التاريخ:
تم اكتشاف الجاليوم عام 1875 من قبل Paul-Emile Lecoq de Boisbaudran أثناء فحص خامات sphalerite ، ولم يتم استخدام الغاليوم في أي تطبيقات تجارية حتى الجزء الأخير من القرن العشرين.
لا يستخدم الغاليوم إلا كمعدن هيكلي ، لكن قيمته في العديد من الأجهزة الإلكترونية الحديثة لا يمكن الاستهانة بها.
تم تطوير الاستخدامات التجارية للغاليوم من البحث الأولي حول الثنائيات الباعثة للضوء (LEDs) وتقنية أشباه الموصلات للترددات اللاسلكية من الثالث إلى الخامس ، والتي بدأت في أوائل الخمسينيات.
في عام 1962 ، أدى بحث الفيزيائي IBM JB Gunn على زرنيخ الغاليوم (GaAs) إلى اكتشاف تذبذب عالي التردد للتيار الكهربائي المتدفق من خلال بعض المواد الصلبة شبه الموصلة - المعروفة الآن باسم "تأثير غان". مهد هذا الاختراق الطريق للكشفات العسكرية المبكرة ليتم بناؤها باستخدام الثنائيات Gunn (المعروفة أيضًا باسم أجهزة الإلكترون) التي تم استخدامها منذ ذلك الحين في مختلف الأجهزة الآلية ، من كاشفات رادار السيارة وأجهزة التحكم في الإشارة إلى كاشفات محتوى الرطوبة واللص إنذار.
تم إنتاج أول مصابيح LED وأجهزة ليزر تعتمد على GaAs في أوائل الستينيات من قبل باحثين في RCA و GE و IBM.
في البداية ، كانت مصابيح LED قادرة فقط على إنتاج موجات ضوء غير مرئية بالأشعة تحت الحمراء ، وقصر الأضواء على أجهزة الاستشعار ، والتطبيقات الإلكترونية الضوئية. لكن إمكاناتها كمصادر ضوء مدمجة فعالة من حيث الطاقة كانت واضحة.
بحلول أوائل الستينيات ، بدأت شركة Texas Instruments في عرض مصابيح LED تجاريًا. بحلول السبعينيات ، سرعان ما تم تطوير أنظمة العرض الرقمية المبكرة المستخدمة في الساعات وشاشات العرض باستخدام أنظمة الإضاءة الخلفية LED.
أدى البحث الإضافي في السبعينيات والثمانينيات إلى تقنيات ترسيب أكثر كفاءة ، مما جعل تقنية LED أكثر موثوقية وفعالية من حيث التكلفة. أدى تطوير مركبات أشباه الموصلات من الجاليوم - الألمنيوم - الزرنيخ (GaAlAs) إلى ظهور مصابيح LED أكثر سطوعًا بعشر مرات من السابق ، في حين أن طيف الألوان متاح لـ يؤدىكما تقدمت أيضًا استنادًا إلى ركائز شبه موصلة جديدة تحتوي على الغاليوم ، مثل نيتريد الإنديوم - الغاليوم (InGaN) ، وغاليوم - زرنيخيد - فوسفيد (GaAsP) ، وغاليس - فوسفيد (GaP).
وبحلول أواخر الستينيات ، تم أيضًا بحث الخصائص الموصلة GaAs كجزء من مصادر الطاقة الشمسية لاستكشاف الفضاء. في عام 1970 ، أنشأ فريق بحثي سوفياتي أول الخلايا الشمسية غير المتجانسة GaAs.
حرج في تصنيع الأجهزة الإلكترونية الضوئية والدوائر المتكاملة (IC) ، ارتفع الطلب على رقائق GaAs في أواخر التسعينات وبداية القرن الحادي والعشرين في ارتباط مع تطور الاتصالات المتنقلة والطاقة البديلة التقنيات.
ليس من المستغرب ، استجابة لهذا الطلب المتزايد ، بين عامي 2000 و 2011 إنتاج الغاليوم الأولي العالمي أكثر من الضعف من حوالي 100 طن متري سنويًا إلى أكثر من 300 مليون طن.
إنتاج:
يقدر متوسط محتوى الغاليوم في القشرة الأرضية بحوالي 15 جزءًا في المليون ، وهو يشبه تقريبًا الليثيوم وأكثر شيوعًا من قيادة. ومع ذلك ، فإن المعدن منتشر على نطاق واسع ويوجد في عدد قليل من الأجسام الخام القابلة للاستخراج اقتصاديًا.
يتم استخلاص ما يصل إلى 90 ٪ من جميع الغاليوم الأساسي المنتج حاليًا من البوكسيت أثناء تكرير الألومينا (Al2O3) ، وهو مقدمة ل الألومنيوم. يتم إنتاج كمية صغيرة من الغاليوم كمنتج ثانوي زنك الاستخراج أثناء تكرير خام sphalerite.
أثناء عملية Bayer لتكرير خام الألمنيوم إلى الألومينا ، يتم غسل الخام المسحوق بمحلول ساخن من هيدروكسيد الصوديوم (NaOH). هذا يحول الألومينا إلى ألومينات الصوديوم ، التي تستقر في خزانات بينما يتم جمع محلول هيدروكسيد الصوديوم الذي يحتوي الآن على الغاليوم لإعادة استخدامه.
لأن هذا السائل المعاد تدويره ، يزداد محتوى الغاليوم بعد كل دورة حتى يصل إلى مستوى حوالي 100-125 جزء في المليون. يمكن بعد ذلك أخذ الخليط وتركيزه كمرارة عن طريق استخلاص المذيب باستخدام عوامل خلابة عضوية.
في حمام إلكتروليتي عند درجات حرارة 104-140 درجة فهرنهايت (40-60 درجة مئوية) ، يتم تحويل غالات الصوديوم إلى غاليوم نجس. بعد الغسيل في الحمض ، يمكن بعد ذلك تصفيته من خلال ألواح خزفية أو زجاجية مسامية لإنشاء معدن الجاليوم بنسبة 99.9-99.99٪.
99.99٪ هي درجة السلائف القياسية لتطبيقات GaAs ، ولكن الاستخدامات الجديدة تتطلب نقاء أعلى يمكن تحقيقه من خلال تسخين المعدن تحت التفريغ لإزالة العناصر المتطايرة أو التنقية الكهروكيميائية والبلورة الجزئية طرق.
على مدى العقد الماضي ، انتقل الكثير من إنتاج الغاليوم الأساسي في العالم إلى الصين التي تزود الآن حوالي 70 ٪ من الغاليوم العالمي. وتشمل الدول المنتجة الأولية الأخرى أوكرانيا وكازاخستان.
يتم استخراج حوالي 30 ٪ من إنتاج الغاليوم السنوي من الخردة والمواد القابلة لإعادة التدوير مثل رقائق IC المحتوية على GaAs. تحدث معظم إعادة تدوير الغاليوم في اليابان وأمريكا الشمالية وأوروبا.
ال المسح الجيولوجي الأمريكي تشير التقديرات إلى إنتاج 310 مليون طن من الغاليوم المكرر في عام 2011.
أكبر المنتجين في العالم هم Zhuhai Fangyuan و Beijing Jiya Semiconductor Materials و Recapture Metals Ltd.
التطبيقات:
عندما يميل الغاليوم المخلوط إلى التآكل أو صنع المعادن مثل صلب هش. هذه السمة ، إلى جانب درجة حرارة انصهارها المنخفضة للغاية ، تعني أن الجاليوم قليل الاستخدام في التطبيقات الهيكلية.
في شكله المعدني ، يستخدم الجاليوم في الجنود وسبائك منخفضة الذوبان ، مثل جالينستان® ، ولكنه غالبًا ما يوجد في مواد أشباه الموصلات.
يمكن تصنيف تطبيقات الغاليوم الرئيسية إلى خمس مجموعات:
1. أشباه الموصلات: تمثل حوالي 70 ٪ من استهلاك الغاليوم السنوي ، ويفر GaAs هي العمود الفقري للعديد من الإلكترونيات الحديثة مثل الهواتف الذكية وأجهزة الاتصالات اللاسلكية الأخرى التي تعتمد على قدرة توفير الطاقة والتضخيم GaAs ICs.
2. الثنائيات الباعثة للضوء (LEDs): منذ عام 2010 ، تضاعف الطلب العالمي على الغاليوم من قطاع LED ، بسبب استخدام مصابيح LED عالية السطوع في شاشات العرض المحمولة والمسطحة. أدى التحرك العالمي نحو زيادة كفاءة الطاقة أيضًا إلى دعم الحكومة لاستخدام إضاءة LED على الإضاءة الفلورية المتوهجة والمدمجة.
3. الطاقة الشمسية: يركز استخدام الغاليوم في تطبيقات الطاقة الشمسية على تقنيتين:
- الخلايا الشمسية المركزة GaAs
- الكادميوم-الإنديوم-الغاليوم-سيلينيد (CIGS) الخلايا الشمسية الرقيقة
كخلايا ضوئية عالية الكفاءة ، نجحت كلتا التقنيتين في التخصص التطبيقات ، لا سيما المتعلقة بالفضاء والعسكري ولكن لا تزال تواجه حواجز على نطاق واسع إستخدام تجاري.
4. المواد المغناطيسية: قوة عالية ودائمة مغناطيس هي مكون رئيسي لأجهزة الكمبيوتر والسيارات الهجينة وتوربينات الرياح والعديد من المعدات الإلكترونية والآلية الأخرى. يتم استخدام إضافات صغيرة من الغاليوم في بعض المغناطيس الدائم ، بما في ذلك النيوديميومحديد-البورون (ندفيب) مغناطيسات.
5. تطبيقات أخرى:
- سبائك وسبائك متخصصة
- ترطيب المرايا
- مع البلوتونيوم كمثبت نووي
- نيكل-المنغنيز- سبائك الذاكرة على شكل غاليوم
- محفز البترول
- التطبيقات الطبية الحيوية ، بما في ذلك المستحضرات الصيدلانية (نترات الغاليوم)
- الفوسفور
- كشف النيوترينو
مصادر:
سوفتبيديا. تاريخ المصابيح (الثنائيات الباعثة للضوء).
مصدر: https://web.archive.org/web/20130325193932/http://gadgets.softpedia.com/news/History-of-LEDs-Light-Emitting-Diodes-1487-01.html
أنتوني جون داونز ، (1993) ، "كيمياء الألومنيوم ، الغاليوم ، الإنديوم ، والثاليوم". سبرينغر ، ISBN 978-0-7514-0103-5
بارات ، كورتيس أ. "III-V أشباه الموصلات ، تاريخ في تطبيقات RF." ECS Trans. 2009 ، المجلد 19 ، العدد 3 ، الصفحات 79-84.
شوبرت ، إي. فريد. الثنائيات الباعثة للضوء. معهد رينسيلار للفنون التطبيقية ، نيويورك. مايو 2003.
USGS. ملخصات السلع المعدنية: الغاليوم.
مصدر: http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/gallium/index.html
تقرير SM. معادن المنتجات الثانوية: علاقة الألمنيوم والغاليوم.
URL: www.strategic-metal.typepad.com