Gallium is een corrosief, zilverkleurig klein metaal dat smelt bij kamertemperatuur en wordt meestal gebruikt bij de productie van halfgeleiderverbindingen.
Eigendommen:
- Atoomsymbool: Ga
- Atoomnummer: 31
- Elementcategorie: Post-overgangsmetaal
- 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 zilverwit en smelt bij temperaturen onder 85 ° F (29,4 ° C). Het metaal blijft in een gesmolten toestand tot bijna 4000 ° F (2204 ° C), waardoor het het grootste vloeistofbereik van alle metalen elementen heeft.
Gallium is een van de weinige metalen die uitzet naarmate het afkoelt en in volume met iets meer dan 3% toeneemt.
Hoewel gallium gemakkelijk legeert met andere metalen, is het dat wel bijtend, verspreid in het rooster van en verzwakking van de meeste metalen. Het lage smeltpunt maakt het echter nuttig in bepaalde legeringen met een laag smeltpunt.
In tegenstelling tot kwik, dat ook vloeibaar is bij kamertemperatuur, maakt gallium zowel huid als glas nat, 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 onderzoeken van sfereriet-ertsen, werd gallium pas in de tweede helft van de 20e eeuw in commerciële toepassingen gebruikt.
Gallium heeft weinig nut als structureel metaal, maar de waarde ervan in veel moderne elektronische apparaten kan niet worden onderschat.
Commercieel gebruik van gallium is ontwikkeld uit het eerste onderzoek naar lichtemitterende diodes (LED's) en III-V radiofrequentie (RF) halfgeleidertechnologie, die begon in de vroege jaren vijftig.
In 1962 leidde het onderzoek van IBM-natuurkundige J.B. Gunn naar galliumarsenide (GaAs) tot de ontdekking van hoogfrequente oscillatie van de elektrische stroom die door bepaalde stroomt halfgeleidende vaste stoffen - nu bekend als het 'Gunn-effect'. Deze doorbraak maakte de weg vrij voor de bouw van vroege militaire detectoren met behulp van Gunn-diodes (ook bekend als transfer electron devices) die sindsdien zijn gebruikt in verschillende geautomatiseerde apparaten, van autoradardetectoren en signaalcontrollers tot vochtgehalte detectoren en inbraak alarmen.
De eerste op GaAs gebaseerde LED's en lasers werden begin jaren zestig geproduceerd door onderzoekers van RCA, GE en IBM.
Aanvankelijk konden leds alleen onzichtbare infrarode lichtgolven produceren, waardoor de lichten beperkt werden tot sensoren en foto-elektronische toepassingen. Maar hun potentieel als energiezuinige compacte lichtbronnen was duidelijk.
Tegen het begin van de jaren zestig begon Texas Instruments LED's commercieel aan te bieden. Tegen de jaren zeventig werden al vroeg digitale weergavesystemen, gebruikt in horloges en rekenmachinedisplays, al snel ontwikkeld met LED-achtergrondverlichtingssystemen.
Nader onderzoek in de jaren zeventig en tachtig 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 beschikbaar was voor LEDs ook geavanceerd op basis van nieuwe, gallium bevattende halfgeleidende substraten, zoals indium-gallium-nitride (InGaN), gallium-arsenide-fosfide (GaAsP) en gallium-fosfide (GaP).
Tegen het einde van de jaren zestig werden ook de geleidende eigenschappen van GaAs onderzocht als onderdeel van zonne-energiebronnen voor ruimteverkenning. 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-wafers eind jaren 1990 en begin 21e eeuw in samenhang met de ontwikkeling van mobiele communicatie en alternatieve energie technologieën.
Het is niet verrassend dat als reactie op deze groeiende vraag de wereldwijde productie van primair gallium tussen 2000 en 2011 meer dan verdubbelde van ongeveer 100 ton per jaar tot meer dan 300 ton.
Productie:
Het gemiddelde galliumgehalte in de aardkorst wordt geschat op ongeveer 15 delen per miljoen, ongeveer vergelijkbaar met lithium en vaker dan lood. Het metaal is echter wijd verspreid en aanwezig in enkele economisch winbare ertslichamen.
Maar liefst 90% van al het geproduceerde primaire gallium wordt momenteel gewonnen uit bauxiet tijdens de raffinage van aluminiumoxide (Al2O3), een voorloper van aluminium. Een kleine hoeveelheid gallium wordt geproduceerd als bijproduct van zink extractie tijdens het raffineren van sfererieterts.
Tijdens het Bayer-proces van het raffineren van aluminiumerts tot aluminiumoxide, wordt gemalen erts gewassen met een hete oplossing van natriumhydroxide (NaOH). Dit zet aluminiumoxide om in natriumaluminaat, dat in tanks bezinkt, terwijl de natriumhydroxide-vloeistof die nu gallium bevat, wordt verzameld voor hergebruik.
Omdat deze drank wordt gerecycled, neemt het galliumgehalte na elke cyclus toe tot een niveau van ongeveer 100-125 ppm. Het mengsel kan vervolgens worden genomen en als gallaat worden geconcentreerd via extractie met oplosmiddel met behulp van organische chelaatvormers.
In een elektrolytisch bad bij temperaturen van 40-60 ° C (104-140 ° F) 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 creëren.
99,99% is de standaard precursorsoort voor GaAs-toepassingen, maar voor nieuwe toepassingen is een hogere zuiverheid nodig die kan worden bereikt het onder vacuüm verwarmen van het metaal om vluchtige elementen of elektrochemische zuivering en fractionele kristallisatie te verwijderen methoden.
In het afgelopen decennium is een groot deel van de primaire productie van gallium naar de wereld verhuisd naar China, dat nu ongeveer 70% van het wereldwijde gallium 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 galliumrecycling vindt plaats in Japan, Noord-Amerika en Europa.
De US Geological Survey schat dat in 2011 310MT geraffineerd gallium is 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 te maken staal bros. Deze eigenschap, samen met zijn extreem lage smelttemperatuur, betekent dat gallium weinig nut heeft bij structurele toepassingen.
In zijn metallische vorm wordt gallium gebruikt in soldeer en laagsmeltende legeringen, zoals Galinstan®, maar wordt meestal aangetroffen in halfgeleidermaterialen.
De belangrijkste toepassingen van Gallium kunnen in vijf groepen worden onderverdeeld:
1. Halfgeleiders: GaAs-wafels zijn goed voor ongeveer 70% van het jaarlijkse galliumverbruik en vormen de ruggengraat van veel moderne elektronische apparaten, zoals smartphones en andere draadloze communicatieapparaten die vertrouwen op de energiebesparende en versterkende mogelijkheden 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 als gevolg van het gebruik van LED's met hoge helderheid in mobiele en platte beeldschermen. De wereldwijde beweging naar meer energie-efficiëntie heeft ook geleid tot overheidssteun voor het gebruik van ledverlichting boven gloeilampen en compacte fluorescentieverlichting.
3. Zonne-energie: Gallium's gebruik in zonne-energietoepassingen is gericht op twee technologieën:
- GaAs concentrator zonnecellen
- Cadmium-indium-gallium-selenide (CIGS) dunne film zonnecellen
Als zeer efficiënte fotovoltaïsche cellen zijn beide technologieën gespecialiseerd toepassingen, met name met betrekking tot de ruimtevaart en het leger, maar worden nog steeds geconfronteerd met belemmeringen voor grootschalige toepassingen commercieel gebruik.
4. Magnetische materialen: Hoge sterkte, permanent magneten zijn een belangrijk onderdeel van computers, hybride auto's, windturbines en diverse andere elektronische en geautomatiseerde apparatuur. Kleine toevoegingen van gallium worden gebruikt in sommige permanente magneten, waaronder neodymium-ijzer-borium (NdFeB) magneten.
5. Andere applicaties:
- Speciale legeringen en soldeer
- Spiegels natmaken
- Met plutonium als nucleaire stabilisator
- Nikkel-mangaan-gallium legering met vormgeheugen
- Petroleum katalysator
- Biomedische toepassingen, waaronder 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), "Chemistry of Aluminium, Gallium, Indium, and Thallium." Springer, ISBN 978-0-7514-0103-5
Barratt, Curtis A. "III-V Semiconductors, een geschiedenis in RF-toepassingen." ECS Trans. 2009, Volume 19, Issue 3, Pages 79-84.
Schubert, E. Fred. Lichtgevende dioden. Rensselaer Polytechnic Institute, New York. Mei 2003.
USGS. Samenvattingen van minerale grondstoffen: Gallium.
Bron: http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/gallium/index.html
SM-rapport. Bijproduct metalen: de aluminium-gallium relatie.
URL: www.strategic-metal.typepad.com