Het kleine metaal dat LED-verlichting helpt schitteren
eigenschappen:
- Atomic Symbol: Ga
- Atoomnummer: 31
- Elementcategorie: metaal na de overgang
- 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:
Zuiver gallium is zilverachtig wit en smelt bij temperaturen onder 29 ° C (85 ° F).
Het metaal blijft in een gesmolten toestand tot bijna 4000 ° F (2204 ° C), waardoor het het grootste vloeistofbereik heeft van alle metalen elementen.
Gallium is een van de weinige metalen die uitzet wanneer het afkoelt, met een volume dat met iets meer dan 3% toeneemt.
Hoewel gallium gemakkelijk met andere metalen kan worden gelegeerd , is het corrosief , diffundeert het in het rooster van en verzwakt de meeste metalen. Het lage smeltpunt maakt het echter bruikbaar in bepaalde laagsmeltende legeringen.
In tegenstelling tot kwik , dat ook bij kamertemperatuur vloeibaar is, bevochtigt gallium zowel de huid als het glas, waardoor het moeilijker te hanteren is. Gallium is lang niet zo giftig als kwik.
Geschiedenis:
Ontdekt in 1875 door Paul-Emile Lecoq de Boisbaudran tijdens het onderzoek van sfaleererts, werd gallium tot het einde van de 20e eeuw niet in commerciële toepassingen gebruikt.
Gallium is van weinig nut als structureel metaal, maar de waarde ervan in veel moderne elektronische apparaten kan niet worden onderschat.
Commercieel gebruik van gallium ontwikkeld op basis van het eerste onderzoek naar lichtemitterende dioden (LED's) en III-V radiofrequentie (RF) halfgeleidertechnologie, dat begon in de vroege jaren vijftig.
In 1962 leidde het onderzoek van IBM fysicus JB Gunn naar galliumarsenide (GaAs) tot de ontdekking van hoogfrequente oscillatie van de elektrische stroom die door bepaalde halfgeleidende vaste stoffen stroomt - nu bekend als het 'Gunn-effect'. Deze doorbraak maakte de weg vrij voor vroege militaire detectoren die moesten worden gebouwd met behulp van Gunn-diodes (ook bekend als transfer-elektronenapparaten) die sindsdien zijn gebruikt in verschillende geautomatiseerde apparaten, van autoradiodetectors en signaalcontrollers tot vochtgehaltedetectoren en inbraakalarmen.
De eerste LED's en lasers op basis van GaA's werden in het begin van de jaren zestig geproduceerd door onderzoekers van RCA, GE en IBM.
Aanvankelijk konden LED's alleen onzichtbare infrarood-lichtgolven produceren, waardoor de verlichting beperkt bleef tot sensoren en foto-elektronische toepassingen. Maar hun potentieel als energie-efficiënte compacte lichtbronnen was duidelijk.
Tegen het begin van de jaren zestig begon Texas Instruments met het commercieel aanbieden van LED's. Tegen de jaren zeventig werden vroege digitale displaysystemen, gebruikt in horloges en rekenmachineweergaven, snel ontwikkeld met behulp van LED-achtergrondverlichtingssystemen.
Verder onderzoek in de jaren 70 en 80 resulteerde in efficiëntere depositietechnieken, waardoor LED-technologie betrouwbaarder en kosteneffectiever werd. De ontwikkeling van gallium-aluminium-arseen (GaAlAs) halfgeleiderverbindingen resulteerde in LED's die tien keer helderder waren dan voorheen, terwijl het kleurenspectrum dat beschikbaar was voor LED's, ook werd verbeterd op basis van nieuwe, galliumhoudende halfgeleidende substraten, zoals indium -gallium-nitride (InGaN), gallium-arsenide-fosfide (GaAsP) en gallium-fosfide (GaP).
Tegen het einde van de jaren zestig werden de geleidende eigenschappen van GaAs ook onderzocht als onderdeel van bronnen voor zonne-energie voor verkenning van de ruimte. In 1970 creëerde een Sovjet-onderzoeksteam de eerste GaAs-heterostructuurzonnecellen.
Van cruciaal belang voor de productie van opto-elektronische apparaten en geïntegreerde schakelingen (IC's), steeg de vraag naar GaAs-wafels eind jaren negentig en begin van de 21e eeuw in samenhang met de ontwikkeling van mobiele communicatie en alternatieve energietechnologieën.
Het is niet verrassend dat, in antwoord op deze groeiende vraag, de wereldwijde primaire galliumproductie tussen 2000 en 2011 meer dan verdubbelt van ongeveer 100 ton (MT) per jaar tot meer dan 300 MT.
Productie:
Het gemiddelde galliumgehalte in de aardkorst wordt geschat op ongeveer 15 delen per miljoen, ongeveer gelijk aan lithium en vaker dan lood . Het metaal is echter wijd verspreid en aanwezig in enkele economisch extraheerbare ertslichamen.
Maar liefst 90% van al het geproduceerde primaire gallium wordt momenteel gewonnen uit bauxiet tijdens het raffineren van aluminiumoxide (Al2O3), een voorloper van aluminium .
Een kleine hoeveelheid gallium wordt geproduceerd als een bijproduct van zinkextractie tijdens het zuiveren van sfalerieterts.
Tijdens het Bayer-proces voor het raffineren van aluminiumerts tot alumina, wordt fijngemaakt erts gewassen met een hete oplossing van natriumhydroxide (NaOH). Dit zet alumina om in natriumaluminaat, dat bezinkt in tanks, terwijl de natriumhydroxide-vloeistof die nu gallium bevat wordt verzameld voor hergebruik.
Omdat deze vloeistof wordt gerecycled, neemt het galliumgehalte na elke cyclus toe tot het een niveau van ongeveer 100-125 ppm bereikt. Het mengsel kan vervolgens worden genomen en geconcentreerd als gallaten via oplosmiddelextractie met behulp van organische chelaatvormende middelen.
In een elektrolytisch bad bij temperaturen van 104-140 ° F (40-60 ° C) wordt natriumgallaat omgezet in onzuiver gallium. Na wassen in zuur kan dit vervolgens worden gefiltreerd door poreuze keramische of glazen platen om 99,9-99,99% galliummetaal te vormen.
99,99% is de standaard precursor-klasse voor GaAs-toepassingen, maar nieuwe toepassingen vereisen hogere zuiverheden die kunnen worden bereikt door het metaal onder vacuüm te verhitten om vluchtige elementen of elektrochemische zuivering en gefractioneerde kristallisatiewerkwijzen te verwijderen.
In het afgelopen decennium is een groot deel van 's werelds primaire productie van gallium verplaatst naar China, die nu ongeveer 70% van de gallium in de wereld levert. Andere primaire producerende landen zijn Oekraïne en Kazachstan.
Ongeveer 30% van de jaarlijkse galliumproductie wordt gewonnen uit schroot en recyclebare materialen zoals GaAs-bevattende IC-wafels. De meeste recycling van gallium vindt plaats in Japan, Noord-Amerika en Europa.
De US Geological Survey schat dat in 2011 310MT geraffineerde gallium werd geproduceerd.
'S Werelds grootste producenten zijn Zhuhai Fangyuan, Beijing Jiya Semiconductor Materials en Recapture Metals Ltd.
toepassingen:
Wanneer gelegeerd gallium de neiging heeft te corroderen of metalen zoals staal broos te maken. Deze eigenschap, samen met zijn extreem lage smelttemperatuur, betekent dat gallium weinig nuttig is in structurele toepassingen.
In zijn metaalachtige vorm wordt gallium gebruikt in soldeer en laagsmeltende legeringen, zoals Galinstan® , maar het wordt meestal aangetroffen in halfgeleidermaterialen.
De belangrijkste toepassingen van Gallium kunnen worden onderverdeeld in vijf groepen:
1. Halfgeleiders: GaAs-wafers zijn goed voor ongeveer 70% van het jaarlijkse galliumverbruik en vormen de ruggengraat van veel moderne elektronische apparaten, zoals smartphones en andere draadloze communicatieapparatuur die afhankelijk zijn van de energiebesparings- en -versterkingsmogelijkheden van GaAs IC's.
2. Light Emitting Diodes (LED's): sinds 2010 is de wereldwijde vraag naar gallium uit de LED-sector naar verluidt verdubbeld, dankzij het gebruik van LED's met een hoge helderheid op mobiele en platte beeldschermen. De wereldwijde beweging naar meer energie-efficiëntie heeft ook geleid tot steun van de overheid voor het gebruik van LED-verlichting boven gloeilampen en compacte fluorescentielampen.
3. Zonne-energie: het gebruik van Gallium in zonne-energietoepassingen is gericht op twee technologieën:
- GaAs-concentratorzonnecellen
- Cadmium-indium-gallium-selenide (CIGS) zonnecellen met dunne film
Als zeer efficiënte fotovoltaïsche cellen hebben beide technologieën succes gehad in gespecialiseerde toepassingen, met name met betrekking tot lucht- en ruimtevaart en militaire vliegtuigen, maar staan zij nog steeds voor belemmeringen voor grootschalig commercieel gebruik.
4. Magnetische materialen: permanente magneten met hoge sterkte zijn een sleutelcomponent 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 - boor (NdFeB).
5. Andere toepassingen:
- Speciale legeringen en soldeer
- Spatten natmaken
- Met plutonium als nucleaire stabilisator
- Nikkel - mangaan - geheugenlegering in gallium vorm
- Aardoliekatalysator
- Biomedische toepassingen, inclusief geneesmiddelen (galliumnitraat)
- fosforen
- Neutrino-detectie
bronnen:
Softpedia. Geschiedenis van LED's (Light Emitting Diodes).
Bron: 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 van aluminium, Gallium, Indium en Thallium." Springer, ISBN 978-0-7514-0103-5
Barratt, Curtis A. "III-V Semiconductors, a History in RF Applications." ECS Trans . 2009, Volume 19, Issue 3, Pages 79-84.
Schubert, E. Fred. Light-Emitting Diodes . Rensselaer Polytechnic Institute, New York. Mei 2003.
USGS. Mineral Commodity Samenvattingen: Gallium.
Bron: http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/gallium/index.html
SM-rapport. Bijproduct Metalen: de relatie tussen aluminium en gallium .
URL: www.strategic-metal.typepad.com