المعادن الصغرى التي تساعد على إضاءة المصابيح اللمعية
الخصائص:
- الرمز الذري: Ga
- العدد الذري: 31
- فئة العنصر: المعادن مرحلة ما بعد النقل
- الكثافة: 5.91 غم / سم مكعب (عند 73 درجة فهرنهايت / 23 درجة مئوية)
- نقطة الانصهار: 85.58 درجة فهرنهايت (29.76 درجة مئوية)
- نقطة الغليان: 3999 درجة فهرنهايت (2204 درجة مئوية)
- صلابة محمد: 1.5
مميزات:
الغاليوم النقي هو أبيض فضي ويذوب عند درجات حرارة أقل من 85 درجة فهرنهايت (29.4 درجة مئوية).
يبقى المعدن في حالة ذائبة تصل إلى 4000 درجة فهرنهايت (2204 درجة مئوية) ، مما يجعلها أكبر مجموعة سائلة من جميع العناصر المعدنية.
الجاليوم هو واحد من المعادن القليلة التي تتوسع في الوقت الذي يبرد فيه ، حيث يزداد حجمه بما يزيد قليلاً عن 3٪.
على الرغم من خلو سبائك ال gallاليوم بسهولة من معادن أخرى ، إلا أنها تآكل ، منتشرة في الشبكة ، وتضعف معظم المعادن. ومع ذلك ، فإن نقطة الانصهار المنخفضة تجعله مفيدًا في بعض السبائك المنخفضة الذوبان.
على عكس الزئبق ، الذي يكون سائلاً أيضاً في درجات حرارة الغرفة ، يبلل الغاليوم كل من الجلد والزجاج ، مما يزيد من صعوبة التعامل معه. لا يعتبر الجاليوم سامًا مثل الزئبق.
التاريخ:
اكتشف في عام 1875 من قبل بول إميل Lecoq دي Boisbaudran أثناء فحص خامات sphalerite ، لم يتم استخدام الغاليوم في أي التطبيقات التجارية حتى الجزء الأخير من القرن ال 20.
جاليوم هو قليل الاستخدام كمعدن بنيوي ، ولكن قيمته في العديد من الأجهزة الإلكترونية الحديثة لا يمكن التقليل من شأنها.
استُخدمت الاستخدامات التجارية لغاليوم من الأبحاث الأولية عن الصمامات الثنائية الباعثة للضوء (LED) وتكنولوجيا أشباه الموصلات بترددات الراديو (V) التي بدأت في أوائل الخمسينات.
في عام 1962 ، أدى بحث عالم الفيزياء IBM JB Gunn على زرنيخيد الغاليوم (GaAs) إلى اكتشاف تذبذب عالي التردد للتيار الكهربائي المتدفق عبر بعض المواد الصلبة شبه الموصلة - المعروفة الآن باسم "تأثير غون". ومهد هذا التقدم الطريق إلى إنشاء أجهزة الكشف العسكرية المبكرة باستخدام صمامات الدايلين (المعروفة أيضاً باسم أجهزة الإلكترون المنقولة) التي تم استخدامها منذ ذلك الحين في أجهزة آلية مختلفة ، من كاشفات رادار السيارة وأجهزة التحكم بالإشارات إلى أجهزة الكشف عن محتوى الرطوبة وأجهزة الإنذار ضد السرقة.
تم إنتاج أول أجهزة LED و lasers القائمة على GaAs في أوائل الستينات من قبل الباحثين في RCA و GE و IBM.
في البداية ، كانت مصابيح LED قادرة فقط على إنتاج موجات الضوء غير المرئية بالأشعة تحت الحمراء ، مما يحد من الأضواء إلى المستشعرات ، وتطبيقات التصوير الإلكتروني. لكن إمكاناتها كمصادر ضوئية صغيرة موفرة للطاقة كانت واضحة.
بحلول أوائل الستينات ، بدأت شركة Texas Instruments في تقديم مصابيح LED تجارية. بحلول عام 1970 ، تم تطوير أنظمة العرض الرقمية المبكرة ، المستخدمة في الساعات وشاشات الحاسبة ، باستخدام أنظمة الإضاءة الخلفية LED.
أدت الأبحاث الإضافية في السبعينيات والثمانينيات إلى تقنيات ترسيب أكثر كفاءة ، مما جعل تقنية LED أكثر موثوقية وفعالة من حيث التكلفة. نتج عن تطوير مركبات أشباه الموصلات من غاليوم-ألومنيوم الزرنيخ (GaAlAs) مصابيح LED كانت أكثر إشراقاً بعشر مرات من السابق ، في حين تقدم الطيف اللوني المتوفر لـ LED أيضاً على أساس ركائز شبه موصلة جديدة من الغاليوم ، مثل الإنديوم - نيتريد النيليوم (InGaN) ، و فوسفيد جاليوم-فوسفيد (GaAsP) ، و فوسفيد غاليوم (GaP).
وبحلول أواخر الستينيات من القرن العشرين ، تم البحث أيضًا في الخواص الموصلة GaAs كجزء من مصادر الطاقة الشمسية لاستكشاف الفضاء. في عام 1970 ، قام فريق بحث سوفييتي بإنشاء أول خلايا شمسية غيرية البنية.
كان الطلب على رقائق الغاليوم GaAs شديد الأهمية في تصنيع الأجهزة الإلكترونية البصرية والدوائر المتكاملة ، في أواخر التسعينيات وبداية القرن الواحد والعشرين ، وذلك بالترابط مع تطور الاتصالات المتنقلة وتقنيات الطاقة البديلة.
ليس من المستغرب ، في استجابة لهذا الطلب المتزايد ، بين 2000 و 2011 إنتاج الجاليوم الأولية العالمية أكثر من الضعف من حوالي 100 طن متري (طن متري) سنويا إلى أكثر من 300MT.
إنتاج:
ويقدر متوسط محتوى الغاليوم في القشرة الأرضية بنحو 15 جزءا في المليون ، وهو يشبه إلى حد ما الليثيوم وأكثر شيوعا من الرصاص . ومع ذلك ، فإن المعدن منتشر على نطاق واسع ويوجد في عدد قليل من أجسام المعادن الخام القابلة للاستخراج الاقتصادي.
ما يقرب من 90 ٪ من جميع الغاليوم الأولية المنتجة يتم استخراجها حاليا من البوكسيت أثناء تكرير الألومينا (Al2O3) ، وهو سلائف للألومنيوم .
يتم إنتاج كمية صغيرة من الغاليوم كمنتج ثانوي لاستخراج الزنك أثناء تكرير خام السباليريت.
أثناء عملية باير لتكرير خام الألومنيوم إلى الألومينا ، يتم غسل خام المسحوق بمحلول حار من هيدروكسيد الصوديوم (NaOH). هذا يحول الألومينا إلى ألومينات الصوديوم ، والتي تستقر في الصهاريج في حين يتم جمع سائل هيدروكسيد الصوديوم الذي يحتوي الآن على الغاليوم لإعادة الاستخدام.
بسبب إعادة تدوير هذا الخمور ، يزداد محتوى الغاليوم بعد كل دورة حتى يصل إلى مستوى 100-125 جزء في المليون. يمكن بعد ذلك أخذ الخليط وتركيزه كغاليت عن طريق استخلاص المذيب باستخدام عوامل مخلبية عضوية.
في حمام إلكتروليتي في درجات حرارة من 104 إلى 140 درجة فهرنهايت (40-60 درجة مئوية) ، يتم تحويل صوديوم غاليت ليحقق الغاليوم. بعد الغسيل في الحمض ، يمكن بعد ذلك أن يتم ترشيحها من خلال ألواح السيراميك أو الزجاج المسامية لخلق 99.9-99.99 ٪ من معدن الغاليوم.
99.99٪ هو مستوى السلائف المعياري لتطبيقات GaAs ، ولكن الاستخدامات الجديدة تتطلب نواتج أعلى يمكن تحقيقها عن طريق تسخين المعدن تحت التفريغ لإزالة العناصر المتطايرة أو طرق التطهير الكهروكيميائي وطريقة التبلور الجزئي.
على مدى العقد الماضي ، انتقل الكثير من إنتاج الجاليوم الأولي في العالم إلى الصين ، والذي يوفر الآن حوالي 70٪ من الغاليوم في العالم. وتشمل الدول المنتجة الرئيسية الأخرى أوكرانيا وكازاخستان.
يتم استخراج حوالي 30 ٪ من إنتاج الغاليوم السنوي من الخردة والمواد القابلة لإعادة التدوير مثل رقائق IC التي تحتوي على GaAs. يحدث معظم إعادة تدوير الغاليوم في اليابان وأمريكا الشمالية وأوروبا.
تقدر هيئة المسح الجيولوجي الأمريكية أن 310MT من الغاليوم المكرر تم إنتاجه في عام 2011.
وتشمل أكبر الشركات المنتجة في العالم تشوهاي Fangyuan ، بكين Jiya Semiconductor Materials ، و Recapture Metals Ltd.
التطبيقات:
عندما يميل الغاليوم المصبوب إلى التآكل أو يجعل المعادن مثل الصلب هش. هذه السمة ، إلى جانب درجة حرارة انصهارها المنخفضة للغاية ، تعني أن الغاليوم قليل الاستخدام في التطبيقات الهيكلية.
في شكله المعدني ، يتم استخدام الغاليوم في الموديلات والسبائك منخفضة الذوبان ، مثل Galinstan ® ، ولكنه غالباً ما يوجد في مواد أشباه الموصلات.
يمكن تصنيف التطبيقات الرئيسية لغاليوم إلى خمس مجموعات:
1. أشباه الموصلات: تمثل حوالي 70 ٪ من الاستهلاك السنوي للغاليوم ، و GaAs هي العمود الفقري للعديد من الأجهزة الإلكترونية الحديثة ، مثل الهواتف الذكية وغيرها من أجهزة الاتصالات اللاسلكية التي تعتمد على توفير الطاقة والتضخيم من GaAs ICs.
2. الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED): منذ عام 2010 ، ورد أن الطلب العالمي على الغاليوم من قطاع LED قد تضاعف ، وذلك بسبب استخدام مصابيح LED ذات السطوع العالي في شاشات العرض المتنقلة وشاشات العرض المسطحة. كما أدى التحرك العالمي نحو زيادة كفاءة الطاقة إلى دعم الحكومة لاستخدام مصابيح LED على الإضاءة الفلورية المتوهجة والمدمجة.
3. الطاقة الشمسية: يركز استخدام غاليوم في تطبيقات الطاقة الشمسية على تكنولوجيتين:
- الخلايا الشمسية المركزة GaAs
- الكادميوم-الإنديوم-الغاليوم-سيلينايد (CIGS) الخلايا الشمسية رقيقة
وبوصفها خلايا كهروضوئية عالية الكفاءة ، حققت كلتا التقنيتين نجاحًا في التطبيقات المتخصصة ، ولا سيما المتعلقة بالفضاء والعسكريين ، ولكنها لا تزال تواجه عوائق أمام الاستخدام التجاري الواسع النطاق.
4. المواد المغناطيسية: القوة العالية ، المغناطيس الدائم هي عنصر أساسي في أجهزة الكمبيوتر ، السيارات الهجينة ، توربينات الرياح وغيرها من المعدات الإلكترونية والآلية. تستخدم إضافات صغيرة من الغاليوم في بعض المغناطيس الدائم ، بما في ذلك مغناطيس النيوديميوم - الحديد - البورون (ندفيب).
5. تطبيقات أخرى:
- السبائك المتخصصة والوحدات
- ترطيب المرايا
- مع البلوتونيوم كمثبت نووي
- النيكل - المنغنيز - سبيكة الجليل شكل الذاكرة
- محفز البترول
- التطبيقات الطبية الحيوية ، بما في ذلك المستحضرات الصيدلانية (نترات الغاليوم)
- الليومينيوفورات
- الكشف عن النيوترينو
مصادر:
برامج مجانية. تاريخ المصابيح (الثنائيات الخفيفة).
المصدر: https://web.archive.org/web/20130325193932/http://gadgets.softpedia.com/news/History-of-LEDs-Light-Emitting-Diodes-1487-01.html
أنتوني جون داونز (1993) ، "كيمياء الألمنيوم ، الغاليوم ، الإنديوم ، والثاليوم". Springer، ISBN 978-0-7514-0103-5
Barratt، Curtis A. "III-V Semiconductors، a History in RF Applications." ECS ترانس . 2009 ، المجلد 19 ، العدد 3 ، الصفحات 79-84.
شوبرت ، إ. فريد. الثنائيات الباعثة للضوء . معهد Rensselaer Polytechnic ، نيويورك. مايو 2003.
USGS. ملخصات السلع المعدنية: جاليوم.
المصدر: http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/gallium/index.html
تقرير SM. معادن المنتجات الثانوية: علاقة الألمنيوم-جاليوم .
عنوان URL: www.strategic-metal.typepad.com