פרופיל מתכת: אורות גליום LED

גליום היא מתכת מינורית מאכלת, בצבע כסף, הנמסת בטמפרטורת החדר ומשמשת לרוב בייצור תרכובות מוליכים למחצה.

• סמל אטומי: גא
• מספר אטומי: 31
• קטגוריית אלמנטים: מתכת לאחר מעבר
• צפיפות: 5.91 גרם / ס"מ (בטמפרטורה של 73 מעלות צלזיוס)
• נקודת התכה: 29.76 מעלות צלזיוס
• נקודת רתיחה: 22099 מעלות צלזיוס
• הקשיות של מו: 1.5

גליום טהור הוא לבן כסוף ונמס בטמפרטורות מתחת ל -85.4 מעלות צלזיוס. המתכת נשארת במצב מומס עד כמעט 2204 מעלות צלזיוס, מה שמקנה לה את טווח הנוזל הגדול ביותר מבין כל אלמנטים מתכתיים.

גליום היא אחת ממתכות מעטות בלבד שמתרחבת ככל שהיא מתקררת, גדלה בנפח של קצת יותר מ -3%.

למרות שגליום מסגסוג בקלות עם מתכות אחרות, זהו מאכל, מתפשטת לתוך הסריג של ומחלישת רוב המתכות. נקודת ההתכה הנמוכה שלו, עם זאת, הופכת אותו לשימושי בסגסוגות מסוימות המומסות נמוכות.

לעומת כספית, שהוא גם נוזלי בטמפרטורות החדר, מרטיב גליום גם את העור וגם את הזכוכית, מה שמקשה על הטיפול בו. גליום אינו רעיל כמעט כמו כספית.

גאליום, שהתגלה בשנת 1875 על ידי פול-אמיל לקוק דה בויסבאודראן, בעת שבחן עפרות ספיראליות, לא שימש גליום בשום יישום מסחרי עד החלק האחרון של המאה העשרים.

גליום אינו מועיל מעט כמתכת מבנית, אך לא ניתן להמעיט בערכו במכשירים אלקטרוניים מודרניים רבים.

שימושים מסחריים בגליום התפתחו מתוך המחקר הראשוני בנושא דיודות פולטות אור (LED) וטכנולוגיית מוליכים למחצה תדר רדיו III-V (RF), שהחלה בראשית שנות החמישים.

בשנת 1962, המחקר של פיזיקאי IBM J.B. Gunn על גליניום ארסניד (GaAs) הביא לגילוי תנודה בתדר גבוה של הזרם החשמלי הזורם דרך מסוים מוצקים מוליכים למחצה - הידוע כיום בשם 'אפקט גאן'. פריצת דרך זו סללה את הדרך לבניית גלאים צבאיים מוקדמים באמצעות דיודות גאן (הידועה גם בשם העברת מכשירי אלקטרונים) אשר שימשו מאז במכשירים אוטומטיים שונים, מגלאי רדאר לרכב ובקרי איתות לגלאי תכולת לחות ופורץ. אזעקות.

נוריות הלייזר והלייזרים הראשונים המבוססים על GaAs הופקו בתחילת שנות השישים על ידי חוקרים ב- RCA, GE ו- IBM.

בתחילה, נוריות LED הצליחו רק לייצר גלי אור אינפרא אדום בלתי נראים, והגבילו את האורות לחיישנים ויישומים פוטו-אלקטרוניים. אך הפוטנציאל שלהם כמקורות אור קומפקטיים חסכוניים באנרגיה היה ברור.

בתחילת שנות השישים החלה טקסס אינסטרומנטס להציע נוריות לד באופן מסחרי. עד שנות השבעים פותחו עד מהרה מערכות תצוגה דיגיטליות מוקדמות, המשמשות בשעונים ותצוגות מחשבון, באמצעות מערכות תאורה אחורית LED.

מחקר נוסף בשנות השבעים והשמונים הביא לטכניקות תצהיר יעילות יותר, והפכו את טכנולוגיית ה- LED לאמינה וחסכונית יותר. התפתחות תרכובות מוליכים למחצה של גליום-אלומיניום-ארסן (GaAlAs) הביאו לד-נוריות שהיו בהירות פי עשרה מקודמתה, ואילו ספקטרום הצבעים העומד לרשות לדמתקדמים גם על בסיס מצעים מוליכים למחצה חדשים המכילים גליום, כגון אינדיום-גליום-ניטריד (InGaN), גליום-ארסן-פוספיד (GaAsP), וגליום-פוספיד (GaP).

בסוף שנות השישים, נחקרו גם תכונות מוליכות של GaA כחלק ממקורות אנרגיה סולארית לחקירת חלל. בשנת 1970, צוות מחקר סובייטי יצר את תאי השמש ההטרו-מבניים הראשונים של ה- GaAs.

קריטי לייצור מכשירים אופטואלקטריים ומעגלים משולבים (IC), הביקוש לפלים של GaA זינק בסוף. שנות התשעים ותחילת המאה ה -21 בקורלציה עם התפתחות התקשורת הניידת ואנרגיה חלופית טכנולוגיות.

באופן לא מפתיע, בתגובה לדרישה הולכת וגוברת זו, בין 2000 ל -2011 ייצור הגליליום העיקרי הגלובלי יותר מכפול מכ -100 טון מטרי לשנה ליותר מ- 300 מט.

אחוז הגליום הממוצע בקרום כדור הארץ מוערך בכ- 15 חלקים למיליון, דומה בערך ליתיום ושכיח יותר מ עופרת. לעומת זאת, המתכת מפוזרת ונמצאת בכמה גופי עפרות הניתנים לחילוץ כלכליים.

עד 90% מכל הגליום הראשוני המיוצר מופק כיום מבוקסיט במהלך זיקוק אלומינה (Al2O3), מבשר ל אלומיניום. כמות קטנה של גליום מיוצרת כתוצר לוואי של אבץ מיצוי בזמן זיקוק של עפרות ספלתייט.

במהלך תהליך Bayer של זיקוק עפרות אלומיניום לאלומינה, עפרות כתושות נשטפות בתמיסה חמה של נתרן הידרוקסיד (NaOH). זה ממיר אלומינה לנתרן אלומינאט, שמתמקם במכלים ואילו נוזל הנתרן הידרוקסיד שמכיל עכשיו גליום נאסף לשימוש חוזר.

מכיוון שממוחזר משקה חריף זה, תוכן הגליום עולה לאחר כל מחזור עד שהוא מגיע לרמה של בערך 100-125 ppm. לאחר מכן ניתן לקחת את התערובת ולרכז אותה כגלייט באמצעות שאיבת ממס באמצעות חומרי צ'לטציה אורגניים.

באמבט אלקטרוליטי בטמפרטורות של 40-60 מעלות צלזיוס, מומרת נתרן גלייט לטהרה של גליום. לאחר שטיפה בחומצה ניתן לסנן זאת דרך לוחות קרמיקה או זכוכית נקבובית ליצירת מתכת גליום 99.9-99.99%.

99.99% הוא ציון המבשר הסטנדרטי עבור יישומי GaAs, אך שימושים חדשים דורשים טוהר גבוה יותר שניתן להשיג באמצעות חימום המתכת תחת ואקום להסרת אלמנטים נדיפים או טיהור אלקטרוכימי והתגבשות חלקית שיטות.

בעשור האחרון, חלק גדול מייצור הגליום העיקרי בעולם עבר לסין המספקת כיום כ -70% מהגליום בעולם. מדינות אחרות העיקריות בייצור כוללות את אוקראינה וקזחסטן.

כ- 30% מייצור הגליום השנתי מופק מחומרי גרוטאות ומחזור למחזור, כגון רקיקי IC המכילים GaAs. רוב מיחזור הגליום מתרחש ביפן, צפון אמריקה ואירופה.

ה סקר גיאולוגי בארה"ב מעריך כי 310 MT של גליום מעודן הופק בשנת 2011.

המפיקים הגדולים בעולם כוללים את ג'וחאי פאנגיואן, חומרים מוליכים למחצה בייג'ינג בייג'ינג, ומתכות לכבוש מחדש בע"מ.

כאשר גליום סגסוגתי נוטה לשחית או לייצר מתכות כמו פלדה שביר. תכונה זו, יחד עם טמפרטורת ההתכה הנמוכה במיוחד, משמעה כי גליום אינו מועיל לשימוש ביישומים מבניים.

בצורתו המתכתית משתמשים בגליום במוכרים ובסגסוגות נמסות להמיס, כגון גלינסטן®, אך לרוב זה נמצא בחומרים מוליכים למחצה.

ניתן לסווג את היישומים העיקריים של גליום לחמש קבוצות:

1. מוליכים למחצה: מהווים כ 70% מצריכת הגליום השנתית, ופלים של GaAs הם עמוד השדרה של רבים מהאלקטרוניקה המודרנית. מכשירים, כגון סמארטפונים ומכשירי תקשורת אלחוטית אחרים המסתמכים על יכולת חיסכון בחשמל והגברה של ICs של GaAs.

2. דיודות פולטות אור (LED): מאז 2010, לפי הדיווחים, הביקוש העולמי לגליום מתחום הלד הוכפל, כתוצאה משימוש בנורות LED בהירות גבוהה במסכי תצוגה ניידים ושטוחים. המהלך העולמי לעבר יעילות אנרגיה רבה יותר הוביל גם לתמיכה ממשלתית בשימוש בתאורת LED על תאורת ניאון ליבון וקומפקטית.

3. אנרגיה סולארית: השימוש של גליום ביישומי אנרגיה סולארית מתמקד בשתי טכנולוגיות:

• תאים סולאריים של רכז GaAs
• קדמיום-אינדיום-גליום-סלניום (CIGS) תאי שמש סרטים דקים

כתאים פוטו וולטאיים יעילים ביותר, שתי הטכנולוגיות הצליחו להתמחות יישומים, הקשורים במיוחד לחלל וחלל וצבאי אך עדיין מתמודדים עם חסמים בהיקפים גדולים שימוש מסחרי.

4. חומרים מגנטיים: חוזק גבוה, קבוע מגנטים הם מרכיב מרכזי במחשבים, מכוניות היברידיות, טורבינות רוח וציוד אלקטרוני ואוטומטי אחר. תוספות קטנות של גליום משמשות בכמה מגנטים קבועים, כולל ניאודימיום-ברזל-בורון (NdFeB) מגנטים.

5. יישומים אחרים:

• סגסוגות ומוכרים מיוחדים
• מראות הרטבה
• עם פלוטוניום כמייצב גרעיני
• ניקל-מנגןסגסוגת זיכרון בצורת גליום
• זרז נפט
• יישומים ביו-רפואיים, כולל תרופות (גליום חנקתי)
• זרחן
• גילוי ניוטרינו

_{מקורות:}

_{סופטפדיה. היסטוריה של נוריות לד (דיודות פולטות אור).}

_{מקור: https://web.archive.org/web/20130325193932/http://gadgets.softpedia.com/news/History-of-LEDs-Light-Emitting-Diodes-1487-01.html}

_{אנתוני ג'ון דאונס, (1993), "כימיה של אלומיניום, גליום, אינדיום ותאליום." שפרינגר, ISBN 978-0-7514-0103-5}

_{בארט, קרטיס א. "מוליכים למחצה III-V, היסטוריה ביישומי RF." ECS Trans. 2009, כרך 19, גיליון 3, עמודים 79-84.}

_{שוברט, א. פרד. דיודה פולטת אור. המכון הפוליטכני של רנססלר, ניו יורק. מאי 2003.}

_{USGS. סיכומי מצרכים מינרלים: גליום.}

_{מקור: http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/gallium/index.html}

_{דוח SM. מתכות לוואי: יחסי אלומיניום-גליום.}

_{כתובת אתר: www.strategic-metal.typepad.com}