Metaalprofiel: Gallium

Gallium is een bijtend, zilverkleurig minder metaal dat bij kamertemperatuur smelt en meestal gebruikt wordt bij de productie van halfgeleiders.

Eigenschappen:

• Atoomgetal: Ga
• Atoomgetal: 31
• Element Categorie: Na-overgangsmetaal
• Dichtheid: 5. 91 g / cm³ (bij 73 ° F / 23 ° C)
• Smeltpunt: 85. 58 ° F (29. 76 ° C)
• Kookpunt: 3999 ° F (2204 ° C)
• Moh's Hardheid: 1. 5

Kenmerken:

Zuivere gallium is zilverwit en smelt bij temperaturen onder 85 ° F (29 ° C).

Het metaal blijft in gesmolten toestand tot bijna 4000 ° F (2204 ° C), waardoor het het grootste vloeibare bereik van alle metalen elementen is.

Gallium is een van slechts een paar metalen die zich uitstrekt als het afkoelt en in volume stijgt met iets meer dan 3%.

Hoewel gallium gemakkelijk met andere metalen leger, is het bijtend, diffunderend in het rooster van en verzwakking, de meeste metalen. Het lage smeltpunt maakt het echter nuttig bij bepaalde smeltlegeringen.

In tegenstelling tot kwik, die ook bij kamertemperatuur vloeibaar is, brengt gallium zowel huid als glas, waardoor het moeilijker te hanteren is. Niettemin is gallium niet zo giftig als kwik.

Geschiedenis:

Gallium werd in 1875 door Paul-Emile Lecoq de Boisbaudran ontdekt tijdens de behandeling van sphaleriet-ertsen. In het laatste deel van de 20ste eeuw werd gallium niet gebruikt in commerciële toepassingen.

Gallium is van weinig nut als structuurmetaal, maar de waarde ervan in veel moderne elektronische apparaten kan niet onderschat worden.

Commercieel gebruik van gallium is ontwikkeld uit het initiële onderzoek naar lichtdiodes (LED's) en III-V radiofrequentie (RF) halfgeleidertechnologie, die begin jaren 1950 begon.

In 1962 leidde het onderzoek naar galliumarsenide (GaAs) van IBM fysicus J. B. Gunn naar de ontdekking van de hoge frequentie oscillatie van de elektrische stroom die door bepaalde halfgeleidende vaste stoffen stroomt - nu bekend als het 'Gunn Effect'.

Deze doorbraak heeft de weg gebaan voor vroege militaire detectors die worden geconstrueerd met behulp van Gunn diodes (ook bekend als transfer electron devices) die sindsdien in diverse geautomatiseerde apparaten zijn gebruikt, van auto radar detectoren en signaalregelaars naar vochtgehalte detectors en inbraakalarmen .

De eerste LED's en lasers op basis van GaAs werden in de vroege jaren 1960 door onderzoekers van RCA, GE en IBM geproduceerd.

In eerste instantie waren de LED's alleen in staat om onzichtbare infrarood lichtgolven te produceren, de lichten op de sensor te beperken en foto-elektronische toepassingen. Maar hun potentieel als energiezuinige compacte lichtbronnen was duidelijk.

Texas Instruments begon in de vroege jaren 1960 met LED's commercieel te aanbieden. In de jaren zeventig werden vroege digitale displaysystemen, gebruikt in horloges en rekenmachines, snel ontwikkeld met behulp van LED-backlighting systemen.

Verder onderzoek in de jaren 1970 en 1980 resulteerde in efficiëntere deponietheorieën, waardoor LED-technologie betrouwbaarder en kosteneffectief werd. De ontwikkeling van halfgeleiderverbindingen van gallium-aluminium-arseen (GaAlAs) resulteerde in LED's die tien keer helderder waren dan voorheen, terwijl het kleurenspectrum dat beschikbaar is voor LED's ook geavanceerd is op basis van nieuwe, galliumbevattende halfgeleidende substraten, zoals indium- galliumnitride (InGaN), gallium-arsenidefosfide (GaAsP) en galliumfosfide (GaP).

In de late jaren 1960 werden de geleidende eigenschappen van GaA ook onderzocht als onderdeel van zonne-energiebronnen voor ruimteverkenning. In 1970 creëerde een Sovjet-onderzoeksteam de eerste GaAs-heterostructuur zonnecellen.

De vraag naar GaAs-wafers is in het eind van de jaren negentig en begin van de 21ste eeuw kritiek op de productie van optische apparaten en geïntegreerde schakelingen (ICs) in samenhang met de ontwikkeling van mobiele communicatie en alternatieve energietechnologieën.

Verrassend, in antwoord op deze groeiende vraag, tussen 2000 en 2011 is de wereldwijde primaire galliumproductie meer dan dubbel van ongeveer 100 ton per jaar naar meer dan 300MT.

Productie:

Het gemiddelde galliumgehalte in de aardkorst wordt geschat op ongeveer 15 delen per miljoen, ongeveer gelijk aan lithium en meer gebruikelijk dan lood.

Het metaal is echter wijdverspreid en aanwezig in weinig economisch extractabele ertslichamen.

Zoveel als 90% van alle geproduceerde primaire gallium wordt momenteel geëxtraheerd uit bauxiet tijdens het raffineren van aluminiumoxide (Al2O3), een voorloper voor aluminium. Een kleine hoeveelheid gallium wordt geproduceerd als een bijproduct van zinkxtractie tijdens het raffineren van sphalerieterts.

Tijdens het Bayerproces om aluminiumerts te verrichten naar aluminiumoxide wordt de gekneusde erts gewassen met een hete oplossing van natriumhydroxide (NaOH). Dit omzetten alumina naar natriumaluminaat, die zich in tanks vestigt, terwijl de natriumhydroxide-drank die nu gallium bevat wordt verzameld voor hergebruik.

Omdat deze drank wordt gerecycleerd, neemt de galliumgehalte na elke cyclus toe totdat het een niveau bereikt van ongeveer 100-125 ppm. Het mengsel kan dan worden genomen en geconcentreerd als galaat via oplosmiddel extractie onder toepassing van organische chelaatmiddelen.

In een elektrolytisch bad bij temperaturen van 104-140 ° F (40-60 ° C) wordt natriumgalleaat omgezet in onzuiver gallium. Na het wassen in zuur kan dit vervolgens door poreuze keramische of glasplaten worden gefilterd om 99. 9-99 te maken. 99% galliummetaal.

99. 99% is de standaard voorloper voor GaAs toepassingen, maar nieuwe toepassingen vereisen hogere zuiverheden die kunnen worden bereikt door het verhitten van het metaal onder vacuüm om vluchtige elementen of elektrochemische zuivering en fractionele kristallisatiemethoden te verwijderen.

In de afgelopen tien jaar is veel van de wereldwijde primaire galliumproductie verhuisd naar China, die nu ongeveer 70% van de wereld gallium levert. Andere primaire producerende landen zijn onder meer Oekraïne en Kazachstan.

Ongeveer 30% van de jaarlijkse galliumproductie wordt geëxtraheerd uit afval- en recyclebare materialen, zoals GaAs-bevattende IC-wafers.De meeste gallium recycling vindt plaats in Japan, Noord-Amerika en Europa.

Het Amerikaanse Geologische Onderzoek schat dat 310MT geraffineerd gallium in 2011 is geproduceerd.

De grootste producenten ter wereld zijn Zhuhai Fangyuan, Beijing Jiya Semiconductor Materials en Recapture Metals Ltd.

Toepassingen:

Wanneer gelegeerd gallium neiging om te corroderen of metalen te maken zoals stalen bros. Deze eigenschap, samen met de extreem lage smelttemperatuur, betekent dat gallium weinig gebruikt wordt bij structurele toepassingen.

In de metallische vorm wordt gallium gebruikt in soldeers en smeltlegeringen, zoals Galinstan®, maar het wordt meestal gevonden in halfgeleidermaterialen.

Gallium's hoofdtoepassingen kunnen worden ingedeeld in 5 groepen:

1. Halfgeleiders: GaAs-wafers rekenen op ongeveer 70% van het jaarlijkse galliumverbruik. Het is de ruggengraat van veel moderne elektronische apparaten, zoals smartphones en andere draadloze communicatieapparatuur die gebaseerd zijn op het energiebesparende en versterkende vermogen van GaAs ICs.

2. Light Emitting Diodes (LED's): sinds 2010 is de wereldwijde vraag naar gallium uit de LED-sector naar verluidt verdubbeld door het gebruik van LED's met hoge helderheid in mobiele en flatscreen-beeldschermen. De wereldwijde stap naar grotere energie-efficiëntie heeft ook geleid tot overheidssteun voor het gebruik van LED-verlichting via gloeilampen en compacte fluorescerende verlichting.

3. Zonne-energie: Gallium's gebruik in zonne-energie toepassingen is gericht op twee technologieën:

• Zonnecellen van GaAs concentratoren
• Zonnecellen van cadmium-indium-gallium-selenide (CIGS) dunne cellen

Als zeer efficiënte fotovoltaïsche cellen, beide technologieën hebben succes gehad in gespecialiseerde toepassingen, met name gerelateerd aan lucht- en militaire en militaire maar nog steeds gezichtbarrières voor grootschalig commercieel gebruik.

4. Magnetische materialen: Hoogwaardige, permanente magneten zijn een belangrijk onderdeel van computers, hybride auto's, windturbines en diverse andere elektronische en geautomatiseerde apparatuur. Kleine toevoegingen van gallium worden gebruikt in sommige permanente magneten, waaronder magneten van neodymium-ijzer-borium (NdFeB).

5. Andere toepassingen:

• Speciale legeringen en soldaten
• Bevestigingsspiegels
• Met plutonium als nucleaire stabilisator
• Nikkel-mangaan-gallium vormgeheugen legering
• Petroleumkatalysator
• Biomedische toepassingen, waaronder farmaceutische producten (gallium nitraat)
• Fosforen
• Neutrino-detectie

_Bronnen:

_{Softpedia. Geschiedenis van LED's (Light Emitting Diodes).}

_{Bron: // web. archief. org / web / 20130325193932 / // gadgets. Softpedia. com / nieuws / Geschiedenis-of-LED-Light-Emitting-Diode-1487-1401. html}

_{Anthony John Downs, (1993), "Chemie van Aluminium, Gallium, Indium en Thallium". Springer, ISBN 978-0-7514-0103-5}

_{Barratt, Curtis A. "III-V Halfgeleiders, een geschiedenis in RF-toepassingen". ECS Trans . 2009, Volume 19, Uitgave 3, Pagina's 79-84.}

_{Schubert, E. Fred. Light-Emitting Diodes . Rensselaer Polytechnic Institute, New York. Mei 2003.}

_{USGS. Minerale Commodity Samenvattingen: Gallium.}

_{Bron: // mineralen. USGS. gov / mineralen / pubs / product / gallium / index. html}

_{SM Report. Bijproductmetalen: de relatie tussen aluminium en gallium .}

_{URL: www. strategisch-metaal. typepad. nl}