Profilo del metallo: Gallium

Il gallium è un metallo minore corrosivo e color argento che si scioglie vicino alla temperatura ambiente ed è utilizzato più spesso nella produzione di composti semiconduttori.

Densità: 5. 91 g / cm³ (a 73 ° F / 23 ° C)

• Proprietà:
• Punto di fusione: 85. Temperatura di ebollizione: 3999 ° F (2204 ° C)
• Durezza di Moh: 1. 5
• Caratteristiche:
• Il gallio puro è bianco argenteo e si fonde a temperature inferiori a 85 ° F (29,4 ° C).

Il metallo resta in uno stato fuso fino a quasi 4000 ° F (2204 ° C), dandogli la gamma di liquidi più grande di tutti gli elementi metallici.

Il gallium è uno dei pochi metalli che si espande mentre raffredda, aumentando di volume di poco più del 3%.

Anche se il gallio lega facilmente con altri metalli, è corrosivo, diffondendo nel reticolo e indebolendo la maggior parte dei metalli. Il suo basso punto di fusione, tuttavia, lo rende utile in alcune leghe a bassa lega.

Contrariamente al mercurio, che è anche liquido a temperatura ambiente, il gallio bagna sia la pelle che il vetro, rendendo più difficile da gestire. Tuttavia il gallio non è quasi tossico come il mercurio.

Storia:

Scoperto nel 1875 da Paul-Emile Lecoq de Boisbaudran durante l'esame delle ore di spalerite, il gallio non è stato utilizzato in nessuna applicazione commerciale fino alla seconda parte del XX secolo.

Il Gallium 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 emettitori di luce (LED) e la tecnologia a semiconduttore III-V a radiofrequenza (RF), iniziata nei primi anni '50.

Nel 1962, la ricerca del fisico J. B. Gunn di IBM sull'arsenuro di gallio (GaAs) ha portato alla scoperta di oscillazioni ad alta frequenza della corrente elettrica che scorre attraverso determinati solidi semiconduttori - ora noto come 'effetto Gunn'.

Questa scoperta ha aperto la strada per i primi detentori militari da costruire utilizzando diodi Gunn (noti anche come dispositivi elettronici di trasferimento) che sono stati utilizzati in vari dispositivi automatizzati, dai rilevatori radar e dai regolatori di segnale ai rilevatori di contenuto di umidità e allarmi antifurto .

I primi LED e laser basati su GaAs sono stati prodotti nei primi anni 1960 dai ricercatori di RCA, GE e IBM.

Inizialmente, i LED sono stati in grado di produrre solo le onde infrarosse invisibili, limitando le luci al sensore e le applicazioni foto-elettroniche. Ma il loro potenziale come fonti di luce compatte a basso consumo energetico era evidente.

Nei primi anni 1960, Texas Instruments ha iniziato a offrire LED commerciali. Negli anni '70, i primi sistemi di visualizzazione digitale, utilizzati in orologi e display di calcolatori, sono stati presto sviluppati utilizzando sistemi di retroilluminazione a LED.

Ulteriori ricerche negli anni '70 e '80 hanno determinato tecniche di deposizione più efficienti, rendendo la tecnologia LED più affidabile e conveniente. Lo sviluppo di composti semiconduttori di gallio-alluminio-arsenico (GaAlAs) ha portato a LED che sono stati dieci volte più luminosi rispetto a quelli precedenti, mentre lo spettro di colore disponibile per i LED si è anche sviluppato sulla base di nuovi substrati semi-conduttivi contenenti gallio, gallium-nitride (InGaN), gallio-arsenuro-fosfuro (GaAsP) e gallio-fosfuro (GaP).

Alla fine degli anni '60, le proprietà conduttive di GaAs furono anche ricercate come parte delle fonti di energia solare per l'esplorazione spaziale. Nel 1970, un gruppo di ricerca sovietico creò le prime celle solari di eterostruttura GaAs.

Critica alla produzione di dispositivi optoelettronici e circuiti integrati (IC), la domanda di wafer GaAs è aumentata alla fine degli anni '90 e all'inizio del XXI secolo in correlazione con lo sviluppo delle tecnologie per la comunicazione mobile e le energie alternative.

Non sorprende che, in risposta a questa crescente domanda, tra il 2000 e il 2011 la produzione globale di gallio primario è più che raddoppiata da circa 100 tonnellate (MT) all'anno a oltre 300MT.

Produzione:

Il contenuto medio di gallio nella crosta terrestre è stimato in circa 15 parti per milione, approssimativamente simili al litio e più comune rispetto al piombo.

Il metallo, tuttavia, è ampiamente disperso e presente in pochi corpi minerali economicamente estraibili.

Oltre il 90% di tutto il gallo primario prodotto è attualmente estratto dal bauxite durante la raffinazione di allumina (Al2O3), un precursore di alluminio. Una piccola quantità di gallio viene prodotta come sottoprodotto di estrazione di zinco durante la raffinazione di minerale di spalerite.

Durante il processo Bayer di raffinazione di minerale di alluminio alluminio, il minerale schiacciato viene lavato con una soluzione calda di idrossido di sodio (NaOH). Questo converte l'allumina in aluminato di sodio, che si deposita in 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 100-125ppm. La miscela può quindi essere prelevata e concentrata come gallato mediante estrazione con solventi utilizzando agenti chelanti organici.

In un bagno elettrolitico a temperature di 104-140 ° F (40-60 ° C), il galleato di sodio viene convertito in gallio impuro. Dopo il lavaggio in acido, questo può essere filtrato attraverso piastre porose ceramiche o vetro per creare 99. 9-99. 99% metallo di gallio.

99. Il 99% è il grado precursore standard per le applicazioni GaAs, ma nuovi usi richiedono purezza più elevati che possono essere ottenuti riscaldando il metallo sotto vuoto per rimuovere elementi volatili o purificazione elettrochimica e metodi di cristallizzazione frazionaria.

Negli ultimi dieci anni gran parte della produzione primaria di gallio mondiale si è trasferita in Cina, che fornisce circa il 70% del 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 cialde IC contenenti GaAs.La maggior parte del riciclaggio del gallio si verifica in Giappone, Nord America e in Europa.

L'US Geological Survey stima che nel 2011 sia stato prodotto 310MT di gallio raffinato.

I maggiori produttori mondiali includono Zhuhai Fangyuan, Beijing Jiya Semiconductor Materials e Recapture Metals Ltd.

Applicazioni:

tende a corrodere oa rendere metalli come l'acciaio fragile. Questo tratto, unitamente alla sua temperatura di fusione estremamente bassa, significa che il gallio è poco utilizzato nelle applicazioni strutturali.

Nella sua forma metallica, il gallio viene utilizzato in saldature e leghe a bassa fusione, come Galinstan®, ma è spesso presente in materiali a semiconduttore.

Le applicazioni principali di Gallium possono essere classificate in 5 gruppi:

1. Semiconduttori: Contabili per 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 degli IC di GaAs.

2. Diodi a emissione luminosa (LED): Dal 2010, la domanda mondiale del gallio del settore a LED si è raddoppiata, a causa dell'utilizzo di LED ad alta luminosità negli schermi a schermo piatto e mobile. Il passaggio globale verso una maggiore efficienza energetica ha anche portato a sostenere il governo per l'utilizzo di illuminazione LED su illuminazione incandescente e compatta fluorescente.

3. Energia solare: l'uso di Gallium nelle applicazioni di energia solare è incentrato su due tecnologie:

celle solari di concentrazione GaAs

celle solari a pellicola sottile di cadmio-indio-gallio-selenide (CIGS)

come celle fotovoltaiche ad alta efficienza, entrambe le tecnologie hanno avuto successo nelle applicazioni specializzate, in particolare per quanto riguarda l'aerospaziale e le forze armate, ma ancora ostacolano l'uso commerciale su larga scala.

• 4. Materiali magnetici: Alta resistenza, magneti permanenti sono un elemento chiave dei computer, delle automobili ibride, delle turbine eoliche e di varie apparecchiature elettroniche e automatizzate. Piccole aggiunte di gallio sono utilizzate in alcuni magneti permanenti, compresi i magneti del neodimio-ferro-boro (NdFeB).
• 5. Altre applicazioni:

Leghe e saldature speciali

Specchi bagnanti

Con plutonio come stabilizzatore nucleare

• Lega di memoria a forma di nichel-manganese-gallio
• Catalizzatore di petrolio
• Applicazioni biomediche, nitrato)
• Fosfori
• Rilevamento neutro
• Fonti:
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