Le gallium est un métal mineur corrosif de couleur argentée qui fond près de la température ambiante et est le plus souvent utilisé dans la production de composés semi-conducteurs.
Propriétés:
- Symbole atomique: Ga
- Numéro atomique: 31
- Catégorie d'élément: métal post-transition
- Densité: 5,91 g / cm³ (à 73 ° F / 23 ° C)
- Point de fusion: 29,56 ° C (85,58 ° F)
- Point d'ébullition: 3999 ° F (2204 ° C)
- Dureté de Moh: 1,5
Les caractéristiques:
Le gallium pur est blanc argenté et fond à des températures inférieures à 29,4 ° C (85 ° F). Le métal reste à l'état fondu jusqu'à près de 4000 ° F (2204 ° C), ce qui lui donne la plus large gamme de liquides de tous les éléments métalliques.
Le gallium est l'un des rares métaux qui se dilate en se refroidissant, augmentant en volume d'un peu plus de 3%.
Bien que le gallium s’allie facilement avec d’autres métaux, il est corrosif, diffusant dans le réseau et affaiblissant la plupart des métaux. Son faible point de fusion le rend cependant utile dans certains alliages à bas point de fusion.
Par opposition à Mercure, qui est également liquide à température ambiante, le gallium mouille à la fois la peau et le verre, ce qui le rend plus difficile à manipuler. Le gallium n'est pas aussi toxique que le mercure.
Histoire:
Découvert en 1875 par Paul-Emile Lecoq de Boisbaudran lors de l'examen des minerais de sphalérite, le gallium n'a été utilisé dans aucune application commerciale avant la fin du XXe siècle.
Le gallium est peu utilisé comme métal de structure, mais sa valeur dans de nombreux appareils électroniques modernes ne peut pas être sous-estimée.
Utilisations commerciales du gallium développées à partir de la recherche initiale sur les diodes électroluminescentes (LED) et la technologie des semi-conducteurs à radiofréquence (RF) III-V, qui a commencé au début des années 1950.
En 1962, les recherches du physicien IBM J.B.Gunn sur l'arséniure de gallium (GaAs) ont conduit à la découverte d'une oscillation à haute fréquence du courant électrique circulant dans certains solides semi-conducteurs - maintenant connus sous le nom d '«effet Gunn». Cette percée a ouvert la voie à la construction de premiers détecteurs militaires à l'aide de diodes Gunn (également appelées dispositifs électroniques de transfert) qui ont depuis été utilisés dans divers appareils automatisés, des détecteurs de radar de voiture et contrôleurs de signaux aux détecteurs de teneur en humidité et aux cambrioleurs alarmes.
Les premières LED et lasers à base de GaAs ont été produits au début des années 1960 par des chercheurs de RCA, GE et IBM.
Initialement, les LED ne pouvaient produire que des ondes lumineuses infrarouges invisibles, limitant les lumières aux capteurs et aux applications photoélectroniques. Mais leur potentiel en tant que sources lumineuses compactes écoénergétiques était évident.
Au début des années 1960, Texas Instruments a commencé à proposer des LED dans le commerce. Dans les années 1970, les premiers systèmes d'affichage numérique, utilisés dans les montres et les écrans de calculatrice, ont rapidement été développés à l'aide de systèmes de rétroéclairage LED.
Des recherches plus poussées dans les années 1970 et 1980 ont abouti à des techniques de dépôt plus efficaces, rendant la technologie LED plus fiable et plus rentable. Le développement de composés semi-conducteurs gallium-aluminium-arsenic (GaAlAs) a donné des LED dix fois plus lumineuses que les précédentes, tandis que le spectre de couleurs disponible pour LEDs ont également avancé sur la base de nouveaux substrats semi-conducteurs contenant du gallium, tels que le nitrure d'indium-gallium (InGaN), le phosphure d'arséniure de gallium (GaAsP) et le phosphure de gallium (GaP).
À la fin des années 1960, les propriétés conductrices du GaAs faisaient également l'objet de recherches dans le cadre de sources d'énergie solaire pour l'exploration spatiale. En 1970, une équipe de recherche soviétique a créé les premières cellules solaires à hétérostructure GaAs.
Critique pour la fabrication de dispositifs optoélectroniques et de circuits intégrés (CI), la demande de plaquettes GaAs a grimpé en flèche à la fin Années 1990 et début du 21e siècle en corrélation avec le développement de la communication mobile et des énergies alternatives les technologies.
Sans surprise, en réponse à cette demande croissante, entre 2000 et 2011, la production mondiale de gallium primaire a plus que doublé, passant d'environ 100 tonnes métriques (MT) par an à plus de 300 tonnes.
Production:
La teneur moyenne en gallium dans la croûte terrestre est estimée à environ 15 parties par million, à peu près similaire au lithium et plus courante que conduire. Cependant, le métal est largement dispersé et présent dans quelques corps minéralisés économiquement extractibles.
Jusqu'à 90% du gallium primaire produit est actuellement extrait de la bauxite lors du raffinage de l'alumine (Al2O3), précurseur de la aluminium. Une petite quantité de gallium est produite comme sous-produit de zinc extraction lors du raffinage du minerai de sphalérite.
Au cours du processus Bayer de raffinage du minerai d'aluminium en alumine, le minerai concassé est lavé avec une solution chaude d'hydroxyde de sodium (NaOH). Cela transforme l'alumine en aluminate de sodium, qui se dépose dans des réservoirs tandis que la liqueur d'hydroxyde de sodium qui contient maintenant du gallium est collectée pour être réutilisée.
Parce que cette liqueur est recyclée, la teneur en gallium augmente après chaque cycle jusqu'à ce qu'elle atteigne un niveau d'environ 100 à 125 ppm. Le mélange peut ensuite être prélevé et concentré sous forme de gallate par extraction au solvant à l'aide d'agents chélatants organiques.
Dans un bain électrolytique à des températures de 104 à 140 ° F (40 à 60 ° C), le gallate de sodium est converti en gallium impur. Après lavage à l'acide, celui-ci peut ensuite être filtré à travers des plaques poreuses en céramique ou en verre pour créer 99,9-99,99% de gallium métallique.
99,99% est le grade de précurseur standard pour les applications GaAs, mais les nouvelles utilisations nécessitent des puretés plus élevées qui peuvent être obtenues par chauffage du métal sous vide pour éliminer les éléments volatils ou purification électrochimique et cristallisation fractionnée méthodes.
Au cours de la dernière décennie, une grande partie de la production mondiale de gallium primaire s'est déplacée vers la Chine, qui fournit maintenant environ 70% du gallium mondial. L'Ukraine et le Kazakhstan sont d'autres pays producteurs primaires.
Environ 30% de la production annuelle de gallium est extraite de la ferraille et de matériaux recyclables tels que les plaquettes IC contenant du GaAs. La plupart du recyclage du gallium a lieu au Japon, en Amérique du Nord et en Europe.
le US Geological Survey estime que 310 tonnes de gallium raffiné ont été produites en 2011.
Les plus grands producteurs mondiaux sont Zhuhai Fangyuan, Beijing Jiya Semiconductor Materials et Recapture Metals Ltd.
Applications:
Lorsque le gallium allié a tendance à se corroder ou à fabriquer des métaux comme acier fragile. Ce trait, associé à sa température de fusion extrêmement basse, signifie que le gallium est peu utile dans les applications structurelles.
Sous sa forme métallique, le gallium est utilisé dans les soudures et les alliages à bas point de fusion, tels que Galinstan®, mais on le trouve le plus souvent dans les matériaux semi-conducteurs.
Les principales applications de Gallium peuvent être classées en cinq groupes:
1. Semi-conducteurs: Représentant environ 70% de la consommation annuelle de gallium, les plaquettes GaAs sont l'épine dorsale de nombreux appareils électroniques modernes tels que les smartphones et autres appareils de communication sans fil qui dépendent de la capacité d'économie d'énergie et d'amplification CI GaAs.
2. Diodes électroluminescentes (LED): depuis 2010, la demande mondiale de gallium dans le secteur des LED aurait doublé, en raison de l'utilisation de LED à haute luminosité sur les écrans d'affichage mobiles et à écran plat. L'évolution mondiale vers une plus grande efficacité énergétique a également conduit le gouvernement à soutenir l'utilisation de l'éclairage LED par rapport à un éclairage fluorescent incandescent et compact.
3. Énergie solaire: l'utilisation de Gallium dans les applications de l'énergie solaire se concentre sur deux technologies:
- Cellules solaires à concentrateur GaAs
- Cellules solaires à couche mince de cadmium-indium-gallium-séléniure (CIGS)
En tant que cellules photovoltaïques hautement efficaces, les deux technologies ont réussi dans applications, en particulier dans les domaines aérospatial et militaire, mais rencontrent toujours des obstacles à grande échelle un usage commercial.
4. Matériaux magnétiques: haute résistance, permanent aimants sont un élément clé des ordinateurs, des automobiles hybrides, des éoliennes et de divers autres équipements électroniques et automatisés. De petits ajouts de gallium sont utilisés dans certains aimants permanents, y compris le néodymele fer-bore (NdFeB) aimants.
5. Autres applications:
- Alliages spéciaux et soudures
- Miroirs mouillants
- Avec du plutonium comme stabilisateur nucléaire
- Nickel-manganèse-alliage à mémoire de forme en gallium
- Catalyseur pétrolier
- Applications biomédicales, notamment pharmaceutiques (nitrate de gallium)
- Phosphores
- Détection de neutrinos
Sources:
Softpedia. Histoire des LED (diodes électroluminescentes).
La source: https://web.archive.org/web/20130325193932/http://gadgets.softpedia.com/news/History-of-LEDs-Light-Emitting-Diodes-1487-01.html
Anthony John Downs, (1993), "Chimie de l'aluminium, du gallium, de l'indium et du thallium". Springer, ISBN 978-0-7514-0103-5
Barratt, Curtis A. "III-V Semiconductors, une histoire dans les applications RF." ECS Trans. 2009, Volume 19, Numéro 3, Pages 79-84.
Schubert, E. Fred. Diodes électroluminescentes. Rensselaer Polytechnic Institute, New York. Mai 2003.
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La source: http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/gallium/index.html
Rapport SM. Métaux dérivés: la relation aluminium-gallium.
URL: www.strategic-metal.typepad.com