Il gallio è un metallo minore corrosivo di colore argento che si scioglie vicino alla temperatura ambiente e viene spesso utilizzato nella produzione di composti semiconduttori.
Proprietà:
- Simbolo atomico: Ga
- Numero atomico: 31
- Categoria di elementi: metallo post-transizione
- Densità: 5,91 g / cm³ (a 73 ° F / 23 ° C)
- Punto di fusione: 85,78 ° F (29,76 ° C)
- Punto di ebollizione: 3999 ° F (2204 ° C)
- Durezza di Moh: 1.5
caratteristiche:
Il gallio puro è bianco-argenteo e si scioglie a temperature inferiori a 85 ° F (29,4 ° C). Il metallo rimane allo stato fuso fino a quasi 2204 ° C (4000 ° F), offrendo la più ampia gamma di liquidi di tutti gli elementi metallici.
Il gallio è uno dei pochi metalli che si espande man mano che si raffredda, aumentando di volume di poco più del 3%.
Sebbene il gallio si leghi facilmente con altri metalli, lo è corrosivo, diffondendosi nel reticolo e indebolendo la maggior parte dei metalli. Il suo basso punto di fusione, tuttavia, lo rende utile in alcune leghe a basso punto di fusione.
Al contrario di mercurio, che è anche liquido a temperatura ambiente, il gallio bagna sia la pelle che il vetro, rendendo più difficile la gestione. Il gallio non è tossico quasi quanto il mercurio.
Storia:
Scoperto nel 1875 da Paul-Emile Lecoq de Boisbaudran durante l'esame dei minerali di sfalerite, il gallio non fu usato in nessuna applicazione commerciale fino all'ultima parte del XX secolo.
Il gallio è di scarsa utilità come metallo strutturale, ma il suo valore in molti dispositivi elettronici moderni non può essere sottovalutato.
Gli usi commerciali del gallio si sono sviluppati dalla ricerca iniziale sui diodi a emissione di luce (LED) e sulla tecnologia dei semiconduttori a radiofrequenza III-V (RF), iniziata nei primi anni '50.
Nel 1962, la ricerca del fisico IBM J.B. Gunn sull'arseniuro di gallio (GaAs) portò alla scoperta di oscillazioni ad alta frequenza della corrente elettrica che scorreva attraverso solidi semiconduttori - ora noto come "effetto Gunn". Questa svolta ha spianato la strada alla costruzione di primi rivelatori militari utilizzando i diodi Gunn (anche noti come trasferire dispositivi elettronici) che da allora sono stati utilizzati in vari dispositivi automatizzati, dai rivelatori radar per auto e controllori di segnale a rilevatori di contenuto di umidità e antifurto allarmi.
I primi LED e laser basati su GaA sono stati prodotti nei primi anni '60 da ricercatori di RCA, GE e IBM.
Inizialmente, i LED erano in grado di produrre solo onde luminose a infrarossi invisibili, limitando le luci ai sensori e alle applicazioni fotoelettroniche. Ma il loro potenziale come fonti di luce compatte ad alta efficienza energetica era evidente.
All'inizio degli anni '60, Texas Instruments iniziò a offrire commercialmente LED. Negli anni '70, i primi sistemi di visualizzazione digitale, utilizzati negli orologi e nei display delle calcolatrici, furono presto sviluppati utilizzando sistemi di retroilluminazione a LED.
Ulteriori ricerche negli anni '70 e '80 hanno portato a tecniche di deposizione più efficienti, rendendo la tecnologia a LED più affidabile ed economica. Lo sviluppo di composti semiconduttori al gallio-alluminio-arsenico (GaAlAs) ha portato a LED dieci volte più luminosi dei precedenti, mentre lo spettro cromatico disponibile per GUIDATOs è inoltre avanzato sulla base di nuovi substrati semiconduttori contenenti gallio, come indio-gallio-nitruro (InGaN), gallio-arsenuro-fosfuro (GaAsP) e gallio-fosfuro (GaP).
Alla fine degli anni '60, le proprietà conduttive di GaA venivano anche studiate come parte delle fonti di energia solare per l'esplorazione dello spazio. Nel 1970 un gruppo di ricerca sovietico creò le prime celle solari eterostrutture GaAs.
Critico per la produzione di dispositivi optoelettronici e circuiti integrati (CI), la domanda di wafer GaAs è cresciuta alla fine Anni '90 e inizio del 21 ° secolo in correlazione con lo sviluppo della comunicazione mobile e dell'energia alternativa tecnologie.
Non sorprende che, in risposta a questa crescente domanda, tra il 2000 e il 2011 la produzione di gallio primario globale sia più del doppio da circa 100 tonnellate all'anno a oltre 300 tonnellate.
Produzione:
Il contenuto medio di gallio nella crosta terrestre è stimato in circa 15 parti per milione, approssimativamente simile al litio e più comune di condurre. Il metallo, tuttavia, è ampiamente disperso e presente in pochi corpi di minerale economicamente estraibili.
Fino al 90% di tutto il gallio primario prodotto viene attualmente estratto dalla bauxite durante la raffinazione dell'allumina (Al2O3), un precursore di alluminio. Una piccola quantità di gallio è prodotta come sottoprodotto di zinco estrazione durante la raffinazione del minerale di sfalerite.
Durante il processo Bayer di raffinazione del minerale di alluminio in allumina, il minerale frantumato viene lavato con una soluzione calda di idrossido di sodio (NaOH). Questo converte l'allumina in alluminato di sodio, che si deposita in serbatoi mentre il liquore 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 100-125 ppm. La miscela può quindi essere presa e concentrata come gallato mediante estrazione con solvente usando agenti chelanti organici.
In un bagno elettrolitico a temperature di 40-160 ° C (104-140 ° F), il gallato di sodio viene convertito in gallio impuro. Dopo il lavaggio in acido, questo può essere filtrato attraverso piastre porose in ceramica o vetro per creare metallo al gallio al 99,9-99,99%.
Il 99,99% è il grado precursore standard per le applicazioni GaAs, ma i nuovi usi richiedono purezza più elevate che possono essere raggiunte riscaldare il metallo sotto vuoto per rimuovere elementi volatili o purificazione elettrochimica e cristallizzazione frazionata metodi.
Nell'ultimo decennio, gran parte della produzione primaria di gallio nel mondo si è trasferita in Cina, che ora fornisce circa il 70% del gallio del mondo. Altre nazioni produttrici primarie includono Ucraina e Kazakistan.
Circa il 30% della produzione annuale di gallio viene estratto da rottami e materiali riciclabili come wafer IC contenenti GaAs. La maggior parte del riciclaggio del gallio avviene in Giappone, Nord America ed Europa.
Il US Geological Survey stima che nel 2011 siano stati prodotti 310 MT di gallio raffinato.
I maggiori produttori mondiali includono Zhuhai Fangyuan, Beijing Jiya Semiconductor Materials e Recapture Metals Ltd.
applicazioni:
Quando il gallio legato tende a corrodere o a rendere simili i metalli acciaio fragile. Questo tratto, insieme alla sua temperatura di fusione estremamente bassa, significa che il gallio è di scarsa utilità nelle applicazioni strutturali.
Nella sua forma metallica, il gallio viene utilizzato nelle saldature e nelle leghe a basso punto di fusione, come ad esempio Galinstan®, ma si trova più spesso nei materiali semiconduttori.
Le principali applicazioni di Gallio possono essere classificate in cinque gruppi:
1. Semiconduttori: rappresentando circa il 70% del consumo annuale di gallio, i wafer GaAs sono la spina dorsale di molti moderni dispositivi elettronici dispositivi come smartphone e altri dispositivi di comunicazione wireless che si basano sulla capacità di risparmio energetico e amplificazione di Circuiti integrati GaAs.
2. Diodi a emissione di luce (LED): dal 2010, la domanda globale di gallio del settore LED è raddoppiata, grazie all'utilizzo di LED ad alta luminosità in schermi mobili e a schermo piatto. Il passaggio globale verso una maggiore efficienza energetica ha anche portato al sostegno del governo per l'uso dell'illuminazione a LED su un'illuminazione a incandescenza e fluorescente compatta.
3. Energia solare: l'uso del gallio nelle applicazioni di energia solare si concentra su due tecnologie:
- Concentratore di celle GaAs
- Celle solari a film sottile di cadmio-indio-gallio-selenide (CIGS)
Essendo celle fotovoltaiche ad alta efficienza, entrambe le tecnologie hanno avuto successo in ambito specialistico applicazioni, in particolare legate al settore aerospaziale e militare, ma devono ancora affrontare ostacoli a larga scala uso commerciale.
4. Materiali magnetici: ad alta resistenza, permanente magneti sono un componente chiave di computer, automobili ibride, turbine eoliche e varie altre apparecchiature elettroniche e automatizzate. Piccole aggiunte di gallio sono utilizzate in alcuni magneti permanenti, tra cui il neodimio-ferro-boro Magneti (NdFeB).
5. Altre applicazioni:
- Leghe speciali e saldature
- Specchietti bagnanti
- Con plutonio come stabilizzatore nucleare
- Nichel-manganeselega di memoria a forma di gallio
- Catalizzatore di petrolio
- Applicazioni biomediche, compresi prodotti farmaceutici (nitrato di gallio)
- fosfori
- Rilevazione di neutrini
fonti:
Softpedia. Storia dei LED (diodi luminosi).
Fonte: https://web.archive.org/web/20130325193932/http://gadgets.softpedia.com/news/History-of-LEDs-Light-Emitting-Diodes-1487-01.html
Anthony John Downs, (1993), "Chimica dell'alluminio, del gallio, dell'indio e del tallio". Springer, ISBN 978-0-7514-0103-5
Barratt, Curtis A. "III-V Semiconductors, una storia nelle applicazioni RF." ECS Trans. 2009, Volume 19, Numero 3, Pagine 79-84.
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Fonte: http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/gallium/index.html
Rapporto SM. Metalli sottoprodotti: la relazione alluminio-gallio.
URL: www.strategic-metal.typepad.com