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Metallprofil: Gallium- und LED-Leuchten

Gallium ist ein ätzendes, silberfarbenes Nebenmetall, das nahe Raumtemperatur schmilzt und am häufigsten bei der Herstellung von Halbleiterverbindungen verwendet wird.

 

Eigenschaften:

  • Atomsymbol: Ga
  • Ordnungszahl: 31
  • Elementkategorie: Metall nach dem Übergang
  • Dichte: 5,91 g / cm³ (bei 73 ° F / 23 ° C)
  • Schmelzpunkt: 29,76 ° C (85,58 ° F)
  • Siedepunkt: 2204 ° C
  • Mohs Härte: 1,5

 

Eigenschaften:

Reines Gallium ist silberweiß und schmilzt bei Temperaturen unter 29,4 ° C. Das Metall bleibt in einem geschmolzenen Zustand bis zu fast 4000 ° F (2204 ° C), was es zum größten Flüssigkeitsbereich aller Metallelemente macht.

Gallium ist eines der wenigen Metalle, das sich beim Abkühlen ausdehnt und sein Volumen um etwas mehr als 3% erhöht.

Obwohl Gallium leicht mit anderen Metallen legiert werden kann, ist es ätzend. diffundiert in das Gitter der meisten Metalle und schwächt sie. Sein niedriger Schmelzpunkt macht es jedoch in bestimmten Legierungen mit niedrigem Schmelzpunkt nützlich.

Im Gegensatz zu Quecksilber. das auch bei Raumtemperatur flüssig ist, benetzt Gallium sowohl Haut als auch Glas, was die Handhabung erschwert. Gallium ist bei weitem nicht so giftig wie Quecksilber.

 

Geschichte: 

Gallium wurde 1875 von Paul-Emile Lecoq de Boisbaudran bei der Untersuchung von Sphaleriterzen entdeckt und erst in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts für kommerzielle Anwendungen verwendet.

Gallium ist als Strukturmetall von geringem Nutzen, 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 (RF) -Halbleitertechnologie, die in den frühen 1950er Jahren begannen.

1962 führte die Forschung des IBM-Physikers JB Gunn zu Galliumarsenid (GaAs) zur Entdeckung einer hochfrequenten Schwingung des elektrischen Stroms, der durch bestimmte halbleitende Feststoffe fließt – heute als „Gunn-Effekt“ bekannt. Dieser Durchbruch ebnete den Weg für den Bau früher Militärdetektoren mit Gunn-Dioden (auch als Transferelektronengeräte bekannt), die seitdem in verschiedenen automatisierten Geräten eingesetzt werden, von Autoradardetektoren und Signalsteuerungen bis hin zu Feuchtigkeitsgehaltsdetektoren und Einbruchalarmen.

Die ersten LEDs und Laser auf GaAs-Basis wurden Anfang der 1960er Jahre von Forschern von RCA, GE und IBM hergestellt.

Anfänglich konnten LEDs nur unsichtbare Infrarotlichtwellen erzeugen, die das Licht auf Sensoren und fotoelektronische Anwendungen beschränkten. Ihr Potenzial als energieeffiziente kompakte Lichtquellen war jedoch 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, wodurch die LED-Technologie zuverlässiger und kostengünstiger wurde. Die Entwicklung von Gallium-Aluminium-Arsen (GaAlAs) Halbleiterverbindungen führten LEDs , die zehnfach als früheres heller waren, während das Farbspektrum zur Verfügung LED. auch an neuem, Gallium-enthaltende halbleitenden Substrate, wie Indium – basierte weiterführend -Galliumnitrid (InGaN), Galliumarsenidphosphid (GaAsP) und Galliumphosphid (GaP).

In den späten 1960er Jahren wurden auch die leitfähigen Eigenschaften von GaAs als Teil von Solarenergiequellen für die Weltraumforschung untersucht. 1970 schuf ein sowjetisches Forscherteam die ersten GaAs-Solarzellen mit Heterostruktur.

Die Nachfrage nach GaAs-Wafern, die für die Herstellung optoelektronischer Bauelemente und integrierter Schaltkreise (ICs) von entscheidender Bedeutung sind, stieg Ende der neunziger Jahre und zu Beginn des 21. Jahrhunderts im Zusammenhang mit der Entwicklung der Mobilkommunikation und alternativer Energietechnologien stark an.

Es überrascht nicht, dass sich die weltweite Produktion von primärem Gallium zwischen 2000 und 2011 als Reaktion auf diese wachsende Nachfrage von etwa 100 Tonnen (MT) pro Jahr auf über 300 Tonnen mehr als verdoppelt hat.

 

Produktion:

Der durchschnittliche Galliumgehalt in der Erdkruste wird auf etwa 15 ppm geschätzt, ähnlich wie Lithium und häufiger als Blei. Das Metall ist jedoch weit verbreitet und in wenigen wirtschaftlich extrahierbaren Erzkörpern vorhanden.

Während der Raffination von Aluminiumoxid (Al2O3), einem Vorläufer von Aluminium, werden derzeit bis zu 90% des gesamten produzierten primären Galliums aus Bauxit extrahiert . Eine kleine Menge von Gallium wird als Nebenprodukt hergestellte Zinkextraktion während des Raffinieren von Sphalerit ore.

Während des Bayer-Prozesses zum Raffinieren von Aluminiumerz zu Aluminiumoxid wird zerkleinertes Erz mit einer heißen Natriumhydroxidlösung (NaOH) gewaschen. Dadurch wird Aluminiumoxid in Natriumaluminat umgewandelt, das sich in Tanks absetzt, während die Natriumhydroxidlauge, die jetzt Gallium enthält, zur Wiederverwendung gesammelt wird.

Da diese Flotte recycelt wird, steigt der Galliumgehalt nach jedem Zyklus an, bis er ein Niveau von etwa 100 bis 125 ppm erreicht. Das Gemisch kann dann genommen und durch Lösungsmittelextraktion unter Verwendung organischer Chelatbildner als Gallat konzentriert werden.

In einem Elektrolytbad bei Temperaturen von 40 bis 60 ° C wird Natriumgallat in unreines Gallium umgewandelt. Nach dem Waschen in Säure kann dies dann durch poröse Keramik- oder Glasplatten filtriert werden, um 99,9-99,99% Galliummetall zu erzeugen.

99,99% ist die Standardvorläuferqualität für GaAs-Anwendungen, aber neue Anwendungen erfordern höhere Reinheiten, die durch Erhitzen des Metalls unter Vakuum zur Entfernung flüchtiger Elemente oder durch elektrochemische Reinigung und fraktionierte Kristallisationsverfahren erreicht werden können.

In den letzten zehn Jahren ist ein Großteil der weltweiten Galliumproduktion nach China verlagert worden, das jetzt etwa 70% des weltweiten Galliums liefert. Andere Hauptproduktionsnationen sind die Ukraine und Kasachstan.

Etwa 30% der jährlichen Galliumproduktion werden aus Schrott und recycelbaren Materialien wie GaAs-haltigen IC-Wafern gewonnen. Das meiste Galliumrecycling findet in Japan, Nordamerika und Europa statt.

Der US Geological Survey schätzt, dass 2011 310MT raffiniertes Gallium produziert wurden.

Zu den weltweit größten Herstellern zählen Zhuhai Fangyuan, Beijing Jiya Semiconductor Materials und Recapture Metals Ltd.

 

Anwendungen:

Wenn legiertes Gallium dazu neigt, zu korrodieren oder Metalle wie Stahl spröde zu machen. Dieses Merkmal zusammen mit seiner extrem niedrigen Schmelztemperatur bedeutet, dass Gallium in strukturellen Anwendungen von geringem Nutzen ist.

In seiner metallischen Form wird Gallium in Loten und niedrigschmelzenden Legierungen wie Galinstan. verwendet, kommt jedoch am häufigsten in Halbleitermaterialien vor.

Die Hauptanwendungen von Gallium können in fünf Gruppen eingeteilt werden:

1. Halbleiter: GaAs-Wafer machen etwa 70% des jährlichen Galliumverbrauchs aus und sind das Rückgrat vieler moderner elektronischer Geräte wie Smartphones und anderer drahtloser Kommunikationsgeräte, die auf die Energieeinsparungs- und Verstärkungsfähigkeit von GaAs-ICs angewiesen sind.

2. Leuchtdioden (LEDs): Seit 2010 hat sich die weltweite Nachfrage nach Gallium aus dem LED-Sektor Berichten zufolge aufgrund der Verwendung von LEDs mit hoher Helligkeit in mobilen Bildschirmen und Flachbildschirmen verdoppelt. Der weltweite Schritt zu mehr Energieeffizienz hat auch dazu geführt, dass die Regierung den Einsatz 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 Photovoltaikzellen waren beide Technologien in speziellen Anwendungen erfolgreich, insbesondere in der Luft- und Raumfahrt sowie im Militärbereich, stehen jedoch immer noch vor Hindernissen für die kommerzielle Nutzung in großem Maßstab.

4. Magnetische Materialien: Hochfeste Permanentmagnete sind eine Schlüsselkomponente von Computern, Hybridautos, Windkraftanlagen und verschiedenen anderen elektronischen und automatisierten Geräten. Geringere Zusätze von Gallium in einigen Permanentmagneten, einschließlich Neodym- verwendete Eisen. Bor (NdFeB) Magneten.

5. Andere Anwendungen:

  • Speziallegierungen und Lote
  • Spiegel benetzen
  • Mit Plutonium als Kernstabilisator
  • Nickel. Mangan -gallium Formgedächtnislegierung
  • Erdölkatalysator
  • Biomedizinische Anwendungen, einschließlich Pharmazeutika (Galliumnitrat)
  • Leuchtstoffe
  • Neutrino-Erkennung

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), „Chemistry of Aluminium, Gallium, Indium and Thallium“. Springer, ISBN 978-0-7514-0103-5

Barratt, Curtis A. „III-V-Halbleiter, eine Geschichte in HF-Anwendungen.“ ECS Trans . 2009, Band 19, Ausgabe 3, Seiten 79-84.

Schubert, E. Fred. Leuchtdioden . Rensselaer Polytechnic Institute, New York. Mai 2003.

USGS. Mineral Commodity Summaries: Gallium.

Quelle: http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/gallium/index.html

SM-Bericht. Nebenproduktmetalle: Die Aluminium-Gallium-Beziehung .

URL: www.strategic-metal.typepad.com

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