Il metallo minore che aiuta le luci a LED a brillare
Proprietà:
- Simbolo atomico: Ga
- Numero atomico: 31
- Elemento Categoria: metallo post-transizione
- Densità: 5,91 g / cm³ (a 73 ° F / 23 ° C)
- Punto di fusione: 85.58 ° F (29.76 ° C)
- Punto di ebollizione: 3999 ° F (2204 ° C)
- Durezza di Moh: 1.5
caratteristiche:
Il gallio puro è bianco-argento e si scioglie a temperature inferiori a 29 ° C (85 ° F).
Il metallo rimane in uno stato fuso fino a quasi 4000 ° F (2204 ° C), dandogli la più ampia gamma di liquidi di tutti gli elementi metallici.
Il gallio è uno dei pochi metalli che si espande non appena si raffredda, aumentando di volume di poco più del 3%.
Sebbene gallio leghe facilmente con altri metalli, è corrosivo , diffondendo nel reticolo di, e indebolendo la maggior parte dei metalli. Il suo basso punto di fusione, tuttavia, lo rende utile in alcune leghe a basso punto di fusione.
Al contrario del mercurio , che è anche liquido a temperatura ambiente, il gallio bagna sia la pelle che il vetro, rendendola più difficile da maneggiare. Il gallio non è tossico quasi quanto il mercurio.
Storia:
Scoperto nel 1875 da Paul-Emile Lecoq de Boisbaudran durante l'esame dei minerali sphaleriti, il gallio non fu utilizzato in nessuna applicazione commerciale fino alla seconda metà del XX secolo.
Il gallio è poco utilizzato come metallo strutturale, ma il suo valore in molti dispositivi elettronici moderni non può essere sottovalutato.
Usi commerciali del gallio sviluppati dalla ricerca iniziale sui diodi a emissione luminosa (LED) e sulla tecnologia dei semiconduttori a radio frequenza III-V (RF), iniziata nei primi anni '50.
Nel 1962, la ricerca di JB Gunn sul biossido di gallio (GaAs), condotta da IBM Ibm, portò alla scoperta dell'oscillazione ad alta frequenza della corrente elettrica che fluisce attraverso certi solidi semiconduttori - ora noto come "Effetto Gunn". Questa scoperta ha spianato la strada alla costruzione di rilevatori militari precoci utilizzando diodi Gunn (noti anche come dispositivi elettronici di trasferimento) che sono stati utilizzati in vari dispositivi automatici, dai rilevatori radar per auto e controllori di segnali ai rivelatori di umidità e allarmi antifurto.
I primi LED e laser basati su GaAs sono stati prodotti nei primi anni '60 da ricercatori di RCA, GE e IBM.
Inizialmente, i LED erano in grado di produrre onde luminose a infrarossi invisibili, limitando le luci ai sensori e le applicazioni fotoelettroniche. Ma il loro potenziale come fonti di luce compatte ad alta efficienza energetica era evidente.
All'inizio degli anni '60, Texas Instruments iniziò a commercializzare i LED. Negli anni '70, i primi sistemi di visualizzazione digitale, usati negli schermi di orologi e calcolatrici, furono presto sviluppati utilizzando sistemi di retroilluminazione a LED.
Ulteriori ricerche negli anni '70 e '80 hanno portato a tecniche di deposizione più efficienti, rendendo la tecnologia LED più affidabile ed economica. Lo sviluppo dei composti semiconduttori di gallio-alluminio-arsenico (GaAlAs) ha portato a LED dieci volte più luminosi dei precedenti, mentre lo spettro dei colori disponibile per i LED è avanzato anche su nuovi substrati semiconduttori contenenti gallio, come l'indio - nitruro di gallio (InGaN), gallio-arsenuro-fosfuro (GaAsP) e gallio-fosfuro (GaP).
Alla fine degli anni '60, le proprietà conduttive di GaAs venivano anche ricercate come parte delle fonti di energia solare per l'esplorazione dello spazio. Nel 1970, un gruppo di ricerca sovietico ha creato le prime celle solari di eterostruttura GaAs.
Fondamentale per la fabbricazione di dispositivi optoelettronici e circuiti integrati (IC), la richiesta di wafer GaAs è aumentata alla fine degli anni '90 e all'inizio del XXI secolo in correlazione con lo sviluppo delle tecnologie di comunicazione mobile e di energia alternativa.
Non sorprende che, in risposta a questa crescente domanda, tra il 2000 e il 2011 la produzione mondiale di galli primari sia più che raddoppiata da circa 100 tonnellate metriche all'anno a oltre 300 milioni di tonnellate.
Produzione:
Il contenuto medio di gallio nella crosta terrestre è stimato in circa 15 parti per milione, grosso modo simile al litio e più comune del piombo . Il metallo, tuttavia, è ampiamente disperso e presente in pochi corpi minerali estraibili economicamente.
Fino al 90% di tutto il gallio primario prodotto è attualmente estratto dalla bauxite durante la raffinazione dell'allumina (Al2O3), un precursore dell'alluminio .
Una piccola quantità di gallio viene prodotta come sottoprodotto dell'estrazione dello zinco durante la raffinazione del minerale di sfalerite.
Durante il processo Bayer di raffinazione del minerale di alluminio in allumina, il minerale frantumato viene lavato con una soluzione calda di idrossido di sodio (NaOH). Questo trasforma l'allumina in alluminato di sodio, che si deposita nei serbatoi mentre il liquido di idrossido di sodio che ora contiene gallio viene raccolto per il riutilizzo.
Poiché questo liquore viene riciclato, il contenuto di gallio aumenta dopo ogni ciclo fino a raggiungere un livello di circa 100-125 ppm. La miscela può quindi essere presa e concentrata come gallato tramite estrazione con solvente usando agenti chelanti organici.
In un bagno elettrolitico a temperature di 104-140 ° F (40-60 ° C), il gallato di sodio viene convertito in gallio impuro. Dopo il lavaggio in acido, questo può essere filtrato attraverso piastre di ceramica o vetro porose per creare il 99,9-99,99% di metallo di gallio.
Il 99,99% è il grado precursore standard per le applicazioni GaAs, ma i nuovi usi richiedono purezza più elevata ottenibile riscaldando il metallo sotto vuoto per rimuovere elementi volatili o metodi di purificazione elettrochimica e cristallizzazione frazionata.
Nell'ultimo decennio, gran parte della produzione di gallio primaria al mondo si è spostata in Cina, che ora fornisce circa il 70% della gallio mondiale. Altre nazioni produttrici primarie includono l'Ucraina e il Kazakistan.
Circa il 30% della produzione annuale di gallio viene estratto da rottami e materiali riciclabili come i wafer IC contenenti GaAs. La maggior parte del riciclaggio di gallio si verifica in Giappone, Nord America ed Europa.
L'US Geological Survey stima che nel 2011 sono stati prodotti 310MT di gallio raffinato.
I maggiori produttori mondiali includono Zhuhai Fangyuan, Beijing Jiya Semiconductor Materials e Recapture Metals Ltd.
applicazioni:
Quando gallio in lega tende a corrodersi o rendere i metalli come l' acciaio fragile. Questa caratteristica, insieme alla sua temperatura di fusione estremamente bassa, significa che il gallio è di scarso utilizzo nelle applicazioni strutturali.
Nella sua forma metallica, il gallio viene usato nelle leghe per saldatura e nelle leghe a basso punto di fusione, come il Galinstan ®, ma si trova più spesso nei materiali semiconduttori.
Le principali applicazioni del gallio possono essere suddivise in cinque gruppi:
1. Semiconduttori: rappresentano circa il 70% del consumo annuale di gallio, i wafer GaAs sono la spina dorsale di molti dispositivi elettronici moderni, come smartphone e altri dispositivi di comunicazione wireless che si basano sulla capacità di risparmio energetico e amplificazione dei circuiti integrati GaAs.
2. Diodi a emissione luminosa (LED): dal 2010, la domanda globale di gallio proveniente dal settore dei LED è stata raddoppiata, grazie all'utilizzo di LED ad alta luminosità negli schermi di visualizzazione a schermo piatto e mobile. La mossa globale verso una maggiore efficienza energetica ha portato anche al sostegno del governo per l'uso dell'illuminazione a LED rispetto alle lampade fluorescenti compatte e ad incandescenza.
3. Energia solare: l'uso di Gallio nelle applicazioni di energia solare si concentra su due tecnologie:
- Celle solari a concentrazione di GaAs
- Celle solari a film sottile di cadmio-indio-gallio-seleniuro (CIGS)
Come celle fotovoltaiche ad alta efficienza, entrambe le tecnologie hanno avuto successo in applicazioni specializzate, in particolare legate all'aerospaziale e ai militari, ma continuano a incontrare barriere all'utilizzo commerciale su vasta scala.
4. Materiali magnetici: i magneti permanenti ad alta resistenza sono un componente chiave di computer, automobili ibride, turbine eoliche e varie altre apparecchiature elettroniche e automatizzate. Piccole aggiunte di gallio sono utilizzate in alcuni magneti permanenti, tra cui magneti al neodimio- ferro - boro (NdFeB).
5. Altre applicazioni:
- Leghe speciali e saldature
- Specchi bagnanti
- Con il plutonio come stabilizzatore nucleare
- Lega nichel - manganese -memoria a forma di gallio
- Catalizzatore di petrolio
- Applicazioni biomediche, compresi prodotti farmaceutici (nitrato di gallio)
- fosfori
- Rilevazione del neutrino
fonti:
Softpedia. Storia dei LED (diodi ad emissione luminosa).
Fonte: https://web.archive.org/web/20130325193932/http://gadgets.softpedia.com/news/History-of-LEDs-Light-Emitting-Diodes-1487-01.html
Anthony John Downs, (1993), "Chimica dell'alluminio, del gallio, dell'indio e del tallio". Springer, ISBN 978-0-7514-0103-5
Barratt, Curtis A. "Semiconduttori III-V, una storia nelle applicazioni RF." ECS Trans . 2009, Volume 19, Numero 3, Pagine 79-84.
Schubert, E. Fred. Diodi a emissione luminosa . Rensselaer Polytechnic Institute, New York. Maggio 2003.
USGS. Riassunti delle materie prime minerali: gallio.
Fonte: http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/gallium/index.html
Rapporto SM. Metalli derivati dal sottoprodotto: la relazione alluminio-gallio .
URL: www.strategic-metal.typepad.com