金屬外形:鎵

幫助LED燈的次要金屬亮麗

鎵是腐蝕性的銀色次要金屬,在室溫附近熔化,最常用於生產半導體化合物。

屬性:

特點:

純鎵是銀白色的,在溫度低於85°F(29.4°C)時熔化。

金屬保持熔化狀態,接近4000°F(2204°C),是所有金屬元素的最大液體範圍。

鎵是僅有的幾種隨著冷卻而膨脹的金屬之一,其體積僅增加3%以上。

雖然鎵容易與其他金屬合金化,但它具有腐蝕性 ,擴散到晶格中,並削弱了大多數金屬。 然而,它的低熔點使其適用於某些低熔點合金。

與在室溫下也是液體的相反,鎵會潤濕皮膚和玻璃,使其更難以處理。 鎵的毒性不如汞。

歷史:

1875年由Paul-Emile Lecoq de Boisbaudran在檢查閃鋅礦時發現,直到20世紀後期,鎵才被用於任何商業應用。

鎵作為結構性金屬幾乎沒有用處,但其在許多現代電子設備中的價值不能被低估。

從二十世紀五十年代初開始對發光二極管(LED)和III-V射頻(RF)半導體技術的最初研究開發的鎵的商業用途。

1962年,IBM物理學家JB Gunn對砷化鎵(GaAs)的研究導致了流過某些半導體固體的電流的高頻振盪 - 現在被稱為“Gunn效應”。 這一突破為使用Gunn二極管(也稱為轉移電子器件)構建的早期軍用探測器鋪平了道路,後者已用於各種自動設備,從汽車雷達探測器和信號控制器到水分含量探測器和防盜報警器。

1960年代早期,RCA,GE和IBM的研究人員生產了第一批基於砷化鎵的LED和激光器。

最初,LED只能產生不可見的紅外光波,將光線限制在傳感器和光電應用中。 但他們作為節能緊湊型光源的潛力是顯而易見的。

到20世紀60年代初,德州儀器開始在商業上提供LED。 到20世紀70年代,用於手錶和計算器顯示器的早期數字顯示系統很快就使用LED背光系統開發出來。

在20世紀70年代和80年代的進一步研究導致更有效的沉積技術,使得LED技術更可靠和更具成本效益。 鎵鋁砷(GaAlAs)半導體化合物的發展產生了比以前更亮10倍的LED,而LEDs可用的色譜也基於新的含鎵半導體基板如銦鎵氮化物(InGaN),砷化鎵磷化物(GaAsP)和磷化鎵(GaP)。

到20世紀60年代後期,砷化鎵導電性質也被作為太陽能探測太陽能源的一部分進行研究。 1970年,蘇聯的一個研究小組創建了第一個GaAs異質結太陽能電池。

對於光電子器件和集成電路(IC)的製造來說至關重要的是,對於移動通信和替代能源技術的發展來說,對砷化鎵晶圓的需求在20世紀90年代後期和21世紀初飆升。

毫不奇怪,為了應對這種不斷增長的需求,從2000年到2011年,全球初級鎵產量從每年約100噸(MT)增加到超過300萬噸的兩倍多。

生產:

估計地殼中鎵的平均含量約為百萬分之15,與鋰大致相似,比更普遍。 然而,這種金屬廣泛分散並存在於少數經濟可提取的礦體中。

在氧化鋁(Al 2 O 3)(一種的前體)的精製過程中,多達90%的所產生的一次鎵是從鋁土礦中提取的。

在閃鋅礦礦石精煉過程中會產生少量的鎵作為提取的副產品。

在將鋁礦精製成氧化鋁的拜耳法中,將碎礦石用熱氫氧化鈉溶液(NaOH)洗滌。 這將氧化鋁轉化為鋁酸鈉,鋁酸鈉沉澱在罐中,而現在含有鎵的氫氧化鈉溶液被收集用於再利用。

因為這種液體是循環利用的,每次循環後鎵的含量都會增加,直到達到約100-125ppm的水平。 然後可以通過使用有機螯合劑的溶劑提取將混合物作為沒食子酸酯進行提取和濃縮。

在溫度為104-140°F(40-60℃)的電解浴中,沒食子酸鈉轉化為不純的鎵。 在酸洗後,可以通過多孔陶瓷或玻璃板過濾,以產生99.9-99.99%的鎵金屬。

99.99%是GaAs應用的標準前體等級,但新用途需要更高的純度,這可以通過在真空下加熱金屬以去除揮發性元素或電化學純化和分級結晶方法來實現。

在過去的十年中,世界上大部分主要的鎵生產已經轉移到中國,而中國現在供應全球鎵的70%左右。 其他主要生產國包括烏克蘭和哈薩克斯坦。

每年約有30%的鎵產量來自廢料和可回收材料,如含GaAs的IC晶圓。 大多數鎵回收發生在日本,北美和歐洲。

美國地質調查局估計2011年生產310萬噸精煉鎵。

全球最大的生產商包括珠海方圓,北京吉亞半導體材料和Recapture Metals Ltd.

應用:

當合金鎵易於腐蝕或使金屬變脆時。 這種特性以及極低的熔化溫度意味著鎵在結構應用中幾乎沒有用處。

在其金屬形式中,鎵用於焊料和低熔點合金,如Galinstan® ,但最常見於半導體材料。

鎵的主要應用可分為五組:

1.半導體:GaAs晶片佔年度鎵消耗的70%左右,砷化鎵晶片是許多現代電子設備(如智能手機和其他依賴GaAs IC的節能和放大能力的無線通信設備)的支柱。

2.發光二極管(LED):自2010年以來,由於在移動和平面顯示屏中使用高亮度LED,全球對LED部門的鎵需求據報導翻了一番。 全球邁向更高能效的舉措也促成了政府支持使用LED照明而不是白熾燈和緊湊型熒光燈。

3.太陽能:鎵在太陽能應用中的應用主要集中在兩項技術上:

作為高效率的光伏電池,這兩種技術在專門應用領域都取得了成功,特別是與航空航天和軍事領域相關的應用,但仍面臨著大規模商業應用的障礙。

4.磁性材料:高強度永磁是計算機,混合動力汽車,風力渦輪機以及其他各種電子和自動化設備的關鍵部件。 在一些永磁體中使用少量的鎵,包括釹鐵硼(NdFeB)磁體。

5.其他應用:

資料來源:

錯誤謝謝! LED(發光二極管)的歷史。

資料來源:https://web.archive.org/web/20130325193932/http://gadgets.softpedia.com/news/History-of-LEDs-Light-Emitting-Diodes-1487-01.html

Anthony John Downs,(1993),“鋁,鎵,銦和鉈的化學”。 Springer,ISBN 978-0-7514-0103-5

Barratt,Curtis A.“III-V半導體,RF應用的歷史”。 ECS Trans 2009年,第19卷,第3期,第79-84頁。

舒伯特,弗雷德。 發光二極管 倫斯勒理工學院,紐約。 2003年5月。

美國地質勘探局。 礦物商品摘要:鎵。

資料來源:http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/gallium/index.html

SM報告。 副產品金屬:鋁鎵關係

網址:www.strategic-metal.typepad.com