Das kleine Metall, das LED-Leuchten glänzt
Eigenschaften:
- Atomsymbol: Ga
- Atomzahl: 31
- Elementkategorie: Post-Übergangsmetall
- Dichte: 5,91 g / cm³ (bei 23 ° C)
- Schmelzpunkt: 85,58 ° F (29,76 ° C)
- Siedepunkt: 3999 ° F (2204 ° C)
- Mohs Härte: 1.5
Eigenschaften:
Reines Gallium ist silbrig-weiß und schmilzt bei Temperaturen unter 85 ° F (29.4 ° C).
Das Metall bleibt im geschmolzenen Zustand bis zu 2204 ° C (4000 ° F) und bietet damit den größten Flüssigkeitsbereich aller Metallelemente.
Gallium ist eines der wenigen Metalle, das bei der Abkühlung expandiert und sein Volumen um etwas mehr als 3% erhöht.
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 und erschwert so die Handhabung. Gallium ist nicht annähernd so giftig wie Quecksilber.
Geschichte:
1875 von Paul-Emile Lecoq de Boisbaudran bei der Untersuchung von Sphalerit-Erzen entdeckt, wurde Gallium erst in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts in kommerziellen Anwendungen verwendet.
Gallium ist als Strukturmetall wenig nützlich, 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 (HF) -Halbleitertechnologie, die in den frühen 1950er Jahren begannen.
1962 führte die Forschung des IBM-Physikers JB Gunn über Galliumarsenid (GaAs) zur Entdeckung der hochfrequenten Oszillation des elektrischen Stroms, der durch bestimmte halbleitende Festkörper fließt - jetzt bekannt als der "Gunn-Effekt". Dieser Durchbruch ebnete den Weg für frühe Militärdetektoren, die unter Verwendung von Gunn-Dioden (auch bekannt als Transferelektronenvorrichtungen) konstruiert wurden und seither in verschiedenen automatisierten Vorrichtungen verwendet wurden, von Autoradardetektoren und Signalsteuervorrichtungen bis zu Feuchtigkeitsdetektoren und Einbruchsalarmen.
Die ersten GaAs-basierten LEDs und Laser wurden Anfang der 1960er Jahre von Forschern von RCA, GE und IBM hergestellt.
Anfänglich waren LEDs nur in der Lage, unsichtbare Infrarot-Lichtwellen zu erzeugen, die das Licht auf Sensoren begrenzten, und photoelektronische Anwendungen. Aber ihr Potenzial als energieeffiziente kompakte Lichtquellen 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 wurden, bald unter Verwendung von LED-Hintergrundbeleuchtungssystemen entwickelt.
Weitere Forschungen in den 1970er und 1980er Jahren führten zu effizienteren Abscheidungstechniken, die die LED-Technologie zuverlässiger und kostengünstiger machen. Die Entwicklung von Gallium-Aluminium-Arsen- (GaAlAs) -Halbleiterverbindungen führte zu LEDs, die zehnmal heller waren als zuvor, während das für LED s verfügbare Farbspektrum auch auf der Basis neuer Galliumhaltiger halbleitender Substrate wie Indium fortschrittlich war Gallium-Arsenid-Phosphid (GaAsP) und Gallium-Phosphid (GaP).
In den späten 1960er Jahren wurden GaAs leitende Eigenschaften auch als Teil von Solarstromquellen für die Weltraumforschung erforscht. Im Jahr 1970 schuf ein sowjetisches Forschungsteam die ersten GaAs-Heterostruktur-Solarzellen.
Entscheidend für die Herstellung von optoelektronischen Bauelementen und integrierten Schaltkreisen (ICs) war, dass die Nachfrage nach GaAs-Wafern in den späten 1990ern und zu Beginn des 21. Jahrhunderts in Korrelation mit der Entwicklung von Technologien für mobile Kommunikation und alternative Energien stieg.
Es ist nicht überraschend, dass die globale Galliumproduktion zwischen 2000 und 2011 von etwa 100 Tonnen pro Jahr auf über 300 Millionen Tonnen mehr als verdoppelt wurde.
Produktion:
Der durchschnittliche Galliumgehalt in der Erdkruste wird auf etwa 15 Teile pro Million geschätzt, ungefähr ähnlich wie Lithium und häufiger als Blei . Das Metall ist jedoch weit verbreitet und in wenigen wirtschaftlich extrahierbaren Erzkörpern vorhanden.
So viel wie 90% aller produzierten primären Gallium wird derzeit aus Bauxit während der Raffination von Aluminiumoxid (Al2O3), einem Vorläufer für Aluminium extrahiert.
Eine kleine Menge Gallium wird als Nebenprodukt der Zinkgewinnung während der Raffination von Sphaleriterz erzeugt.
Während des Bayer-Prozesses der Raffination 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 Natriumhydroxidlösung, die nun Gallium enthält, zur Wiederverwendung gesammelt wird.
Da diese Lauge recycelt wird, steigt der Galliumgehalt nach jedem Zyklus an, bis er ein Niveau von etwa 100-125 ppm erreicht. Die Mischung kann dann als Gallat über Lösungsmittelextraktion unter Verwendung organischer Chelatbildner genommen und konzentriert werden.
In einem elektrolytischen Bad bei Temperaturen von 104 bis 140 ° F (40 bis 60 ° C) wird Natriumgallat in unreines Gallium umgewandelt. Nach dem Waschen in Säure kann dieses dann durch poröse Keramik- oder Glasplatten filtriert werden, um 99,9-99,99% Galliummetall zu erzeugen.
99,99% ist die Standardvorstufe für GaAs-Anwendungen, aber neue Anwendungen erfordern höhere Reinheiten, die durch Erhitzen des Metalls unter Vakuum zur Entfernung flüchtiger Elemente oder durch elektrochemische Reinigungs- und fraktionierte Kristallisationsverfahren erreicht werden können.
Im Laufe des letzten Jahrzehnts ist ein Großteil der primären Galliumproduktion der Welt nach China umgezogen, die heute etwa 70% des Galliums der Welt liefert. Andere primäre produzierende Nationen sind die Ukraine und Kasachstan.
Ungefähr 30% der jährlichen Galliumproduktion wird aus Schrott und wiederverwertbaren Materialien wie GaAs enthaltenden IC-Wafern gewonnen. Das meiste Galliumrecycling findet in Japan, Nordamerika und Europa statt.
Der US Geological Survey schätzt, dass im Jahr 2011 310 MT raffiniertes Gallium produziert wurden.
Zu den weltweit größten Herstellern gehören Zhuhai Fangyuan, Beijing Jiya Semiconductor Materials und Recapture Metals Ltd.
Anwendungen:
Wenn legiertes Gallium zur Korrosion neigt oder Metalle wie Stahl brüchig macht. Dieses Merkmal, zusammen mit seiner extrem niedrigen Schmelztemperatur, bedeutet, dass Gallium in strukturellen Anwendungen wenig Verwendung findet.
In seiner metallischen Form wird Gallium in Loten und niedrig schmelzenden Legierungen wie Galinstan ® verwendet, aber es wird am häufigsten in Halbleitermaterialien gefunden.
Galliums Hauptanwendungen können in fünf Gruppen eingeteilt werden:
1. Halbleiter: GaAs-Wafer sind mit rund 70% des jährlichen Galliumverbrauchs das Rückgrat vieler moderner elektronischer Geräte wie Smartphones und anderer drahtloser Kommunikationsgeräte, die auf der Energiesparmöglichkeit und der Verstärkungsfähigkeit von GaAs-ICs beruhen.
2. Leuchtdioden (LEDs): Seit 2010 hat sich die weltweite Nachfrage nach Gallium aus dem LED-Sektor durch die Verwendung von LEDs mit hoher Helligkeit in mobilen und Flachbildschirmen verdoppelt. Der globale Trend hin zu mehr Energieeffizienz hat auch dazu geführt, dass die Regierung die Verwendung von LED-Beleuchtung gegenüber Glühlampen und Kompaktleuchtstofflampen unterstützt.
3. Solarenergie: Galliums Einsatz in Solarenergieanwendungen konzentriert sich auf zwei Technologien:
- GaAs-Konzentrator-Solarzellen
- Cadmium-Indium-Gallium-Selenid (CIGS) -Dünnschichtsolarzellen
Als hocheffiziente photovoltaische Zellen haben beide Technologien Erfolg in spezialisierten Anwendungen, insbesondere in der Luft- und Raumfahrt und im Militärbereich, aber immer noch Hindernisse für eine kommerzielle Nutzung im großen Maßstab.
4. Magnetische Materialien: Hochfeste Permanentmagnete sind eine Schlüsselkomponente von Computern, Hybridautos, Windturbinen und verschiedenen anderen elektronischen und automatisierten Geräten. Bei einigen Permanentmagneten, einschließlich Neodym- Eisen- Bor (NdFeB) -Magneten, werden kleine Galliumadditionen verwendet.
5. Andere Anwendungen:
- Speziallegierungen und -lote
- Wetting Spiegel
- Mit Plutonium als nuklearer Stabilisator
- Nickel- Mangan- Gallium-Formgedächtnislegierung
- Erdölkatalysator
- Biomedizinische Anwendungen, einschließlich Pharmazeutika (Galliumnitrat)
- Leuchtstoffe
- Neutrinoerkennung
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), "Chemie von Aluminium, Gallium, Indium und Thallium". Springer, ISBN 978-0-7514-0103-5
Barratt, Curtis A. "III-V-Halbleiter, eine Geschichte in RF-Anwendungen." ECS Trans . 2009, Band 19, Ausgabe 3, Seiten 79-84.
Schubert, E. Fred. Leuchtdioden . Rensselaer Polytechnisches Institut, New York. Mai 2003.
USGS. Mineral Commodity Zusammenfassungen: Gallium.
Quelle: http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/gallium/index.html
SM Bericht. Nebenproduktmetalle: Die Aluminium-Gallium-Beziehung .
URL: www.strategische-metall.typepad.com