GALLIUM-ARSENIDI: RAKENNE, OMINAISUUDET, KÄYTTÖ, RISKIT - KEMIA - 2026

Galliumarsenidi epäorgaanista yhdistettä, joka koostuu gallium atomin elementin (Ga) ja arseenia atomi (As). Sen kemiallinen kaava on GaAs. Se on tummanharmaa kiinteä aine, jolla voi olla sinivihreä metallinen kiilto.

Tämän yhdisteen nanorakenteita on saatu erilaisiin käyttötarkoituksiin monilla elektroniikan aloilla. Se kuuluu aineiden ryhmään, jota kutsutaan yhdisteiksi III-V johtuen sen elementtien sijainnista kemiallisessa jaksotaulukossa.

GaAs: n nanorakenteet. Яна Сычикова, Сергей Ковачёв / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0). Lähde: Wikimedia Commons.

Se on puolijohdemateriaali, mikä tarkoittaa, että se voi johtaa sähköä vain tietyissä olosuhteissa. Sitä käytetään laajasti elektronisissa laitteissa, kuten transistorit, GPS, LED-valot, laserit, tabletit ja älypuhelimet.

Sillä on ominaisuuksia, jotka antavat sen helposti absorboida valoa ja muuttaa sen sähköenergiaksi. Tästä syystä sitä käytetään satelliittien ja avaruusalusten aurinkokennoissa.

Se mahdollistaa säteilyn tuottamisen, joka tunkeutuu erilaisiin materiaaleihin ja myös eläviin organismeihin vahingoittamatta niitä. Käärmeen myrkkyjen vaurioittaman lihasmassan uudistamiseen tarkoitetun GaAs-laserin käyttöä on tutkittu.

Se on kuitenkin myrkyllinen yhdiste ja voi aiheuttaa syöpää ihmisille ja eläimille. Kaatopaikoille hävitetyt elektroniset laitteet voivat vapauttaa vaarallista arseenia ja olla haitallisia ihmisten, eläinten ja ympäristön terveydelle.

Rakenne

Gallium-arsenidillä on jaksollisen taulukon ryhmän III ja ryhmän V elementin välinen suhde 1: 1, minkä vuoksi sitä kutsutaan yhdisteeksi III-V.

Sitä pidetään metallien välisenä kiinteänä aineena, joka koostuu arseenista (As) ja galliumista (Ga) ja jonka hapetusolosuhteet ovat välillä Ga ⁽⁰⁾ As ⁽⁰⁾ - Ga ⁽⁺³⁾ As ^(-3).

Gallium-arsenidikide. W. Oelen / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0). Lähde: Wikimedia Commons.

nimistö

• Gallium-arsenidi
• Gallium monoarsenide

ominaisuudet

Fyysinen tila

Tummanharmaa kiteinen kiinteä aine, jossa on sinivihreä metalli kiilto tai harmaa jauhe. Sen kiteet ovat kuutiometriä.

GaAs-kiteet. Vasen: kiillotettu puoli. Oikea: karkea puoli. Materiaalitieteilijä englanninkielisessä Wikipediassa / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0). Lähde: Wikimedia Commons.

Molekyylipaino

144,64 g / mol

Sulamispiste

1238 ° C

Tiheys

5,3176 g / cm ³ 25 ° C: ssa

Liukoisuus

Vedessä: alle 1 mg / ml 20 ° C: ssa.

Kemiallisia ominaisuuksia

Siinä on hydraatti, joka voi muodostaa happosuoloja. Se on vakaa kuivassa ilmassa. Kosteassa ilmassa se tummenee.

Se voi reagoida höyryn, happojen ja happokaasujen kanssa, päästäen myrkyllistä kaasua, nimeltään arsiini, arsaani tai arseenihydridi (AsH ₃). Reagoi vetykaasua emittoivien emästen kanssa.

Väkevä suolahappo ja halogeenit hyökkäävät siihen. Sulassaan se hyökkää kvartsia vastaan. Jos se kastuu, se antaa valkosipulin hajun ja jos sitä kuumennetaan hajoamaan, siitä muodostuu erittäin myrkyllisiä arseenikaasuja.

Muut fysikaaliset ominaisuudet

Se on puolijohdemateriaali, mikä tarkoittaa, että se voi toimia sähkönjohtimena tai eristeenä sen olosuhteista riippuen, joille se altistuu, kuten vastaanotettavan sähkökentän, paineen, lämpötilan tai säteilyn.

Elektronisten bändien välinen kuilu

Sen energiaraon leveys on 1424 eV (elektronivoltti). Energiaraon, kielletyn kaistan tai kaistanleveyden leveys on atomin elektronikuorien välinen tila.

Mitä leveämpi energiarako, sitä suurempaa energiaa elektronit tarvitsevat "hypätä" seuraavaan kuoreen ja aiheuttaa puolijohteen vaihtamisen johtavaan tilaan.

GaAs: lla on laajempi energiakuilu kuin piillä ja tämä tekee siitä erittäin säteilykestävän. Se on myös suora raon leveys, joten se voi säteillä valoa tehokkaammin kuin pii, jonka raon leveys on epäsuora.

Saada

Se voidaan saada viemällä kaasuseoksen vedyn (H ₂) ja arseenia yli gallium (III) oksidi (Ga ₂ O ₃) 600 ° C: ssa

Se voidaan myös valmistaa saattamalla välillä gallium (III) kloridi (GaCl ₃) ja arseenia oksidi (As ₂ O ₃) 800 ° C: ssa

Käyttö aurinkokennoissa

Gallium-arsenidia on käytetty aurinkokennoissa 1970-luvulta lähtien, koska sillä on erinomaiset aurinkosähköominaisuudet, jotka antavat sille etua muihin materiaaleihin nähden.

Se toimii paremmin kuin pii muuntamalla aurinkoenergiaa sähköksi, toimittaen enemmän energiaa korkean lämmön tai heikoissa valaistusolosuhteissa, jotka ovat kaksi yleisimmistä olosuhteista, joita aurinkokennot kestävät, jos valaistustasossa ja lämpötilassa on muutoksia.

Joitakin näistä aurinkokennoista käytetään aurinkoenergialla toimivissa autoissa, avaruusaluksissa ja satelliiteissa.

GaAs-aurinkokennot pienellä satelliitilla. Yhdysvaltain merivoimien akatemia / julkinen. Lähde: Wikimedia Commons.

GaA: n edut tässä sovelluksessa

Se kestää kosteutta ja ultraviolettisäteilyä, mikä tekee siitä kestävämmän ympäristöolosuhteisiin nähden ja mahdollistaa sen käytön ilmailu- ja avaruusteollisuudessa.

Sillä on matala lämpötilakerroin, joten se ei menetä tehokkuutta korkeissa lämpötiloissa ja kestää suuria kertyneitä säteilyannoksia. Säteilyvauriot voidaan poistaa karkaisemalla vain 200 ° C: ssa.

Sillä on korkea valon fotonien absorptiokerroin, joten sillä on suuri suorituskyky hämärässä, ts. Se menettää hyvin vähän energiaa, kun auringon valaistus on huono.

GaAs-aurinkokennot ovat tehokkaita myös hämärässä. Kirjoittaja: Arek Socha. Lähde: Pixabay.

Se tuottaa enemmän energiaa pinta-alayksikköä kohti kuin mikään muu tekniikka. Tämä on tärkeää, kun sinulla on pieni alue, kuten lentokoneita, ajoneuvoja tai pieniä satelliitteja.

Se on joustava ja kevyt materiaali, joka on tehokasta myös hyvin ohuissa kerroksissa, mikä tekee aurinkokennosta erittäin kevyen, joustavan ja tehokkaan.

Aurinkokennot avaruusajoneuvoihin

Avaruusohjelmat ovat käyttäneet GaAs-aurinkokennoja yli 25 vuoden ajan.

GaA-yhdisteiden yhdistelmä muiden germanium-, indium- ja fosforiyhdisteiden kanssa on mahdollistanut erittäin tehokkaiden aurinkokennojen käytön, joita käytetään ajoneuvoissa, jotka tutkivat Marsin planeetan pintaa.

Artistin versio Curiosity-roverista Marsilla. Tässä laitteessa on GaA: n aurinkokennot. NASA / JPL-Caltech / Julkinen verkkotunnus. Lähde: Wikimedia Commons.

Haitta GaA: t

Se on erittäin kallis materiaali piin verrattuna, mikä on ollut suurin este sen käytännölliselle käytölle maanpäällisissä aurinkokennoissa.

Kuitenkin tutkitaan menetelmiä niiden käyttämiseksi erittäin ohuissa kerroksissa, mikä vähentää kustannuksia.

Käyttö sähkölaitteissa

GaAs: lla on useita käyttökohteita erilaisissa elektronisissa laitteissa.

Transistoreissa

Transistorit ovat elementtejä, joiden tehtävänä on vahvistaa sähköisiä signaaleja ja avata tai sulkea piirejä muun muassa.

Transistorissa käytetyillä GaAs-laitteilla on suurempi elektroninen liikkuvuus ja suurempi resistiivisyys kuin piillä, joten se sietää korkeamman energian ja korkeamman taajuuden olosuhteita tuottaen vähemmän melua.

Tehon vahvistamiseen käytetty GaAs-transistori. Epop / CC0. Lähde: Wikimedia Commons.

GPS: ssä

1980-luvulla tämän yhdisteen käyttö mahdollisti globaalin paikannusjärjestelmän tai GPS (Global Positioning System) -vastaanottimien pienentämisen.

Tämän järjestelmän avulla on mahdollista määrittää esineen tai henkilön sijainti koko planeetalla senttimerttarilla.

Gallium-arsenidia käytetään GPS-järjestelmissä. Kirjoittaja: Foundry Co. Lähde: Pixabay.

Optoelektronisissa laitteissa

Suhteellisen alhaisissa lämpötiloissa saaduilla GaAs-kalvoilla on erinomaiset optoelektroniset ominaisuudet, kuten korkea ominaisvastus (johtimeksi tulee suuri energia) ja nopea elektroninsiirto.

Sen suora energiarako tekee siitä sopivan käytettäväksi tämän tyyppisissä laitteissa. Ne ovat laitteita, jotka muuntavat sähköenergian säteilyenergiaksi tai päinvastoin, kuten LED-valot, laserit, ilmaisimet, valoa emittoivat diodit jne.

LED-taskulamppu. Voi sisältää gallium-arsenidia. Kirjoittaja: Hebi B. Lähde: Pixabay.

Erityisessä säteilyssä

Tämän yhdisteen ominaisuudet ovat johtaneet sen käyttöön säteilyn tuottamiseen terahertsin taajuuksilla, jotka ovat säteilyä, joka voi tunkeutua kaiken tyyppisiin materiaaleihin paitsi metalleihin ja veteen.

Koska terapeuttisia säteilyjä ei ole ionisoivia, niitä voidaan käyttää lääketieteellisten kuvien saamisessa, koska se ei vahingoita kehon kudoksia tai aiheuta muutoksia DNA: ssa kuten röntgenkuvat.

Nämä säteilyt mahdollistaisivat myös ihmisissä ja matkalaukkuissa olevien piilotettujen aseiden havaitsemisen, niitä voidaan käyttää kemian ja biokemian spektroskopisissa analyysimenetelmissä ja ne voisivat auttaa paljastamaan piilotettuja taideteoksia hyvin vanhoissa rakennuksissa.

Mahdollinen lääketieteellinen hoito

Tyypin GaAs-laserien on osoitettu olevan käyttökelpoisia parantamaan hiiren tyyppisen käärmeen myrkkyn vaurioittaman lihasmassan uudistumista. Sen tehokkuutta ihmisillä on kuitenkin tutkittava.

Erilaiset joukkueet

Sitä käytetään puolijohteena magnetoresistenssilaitteissa, termistereissä, kondensaattoreissa, valoelektronisessa kuituoptisessa tiedonsiirrossa, mikroaaltouunissa, integroiduissa piireissä, joita käytetään satelliittiviestinnän laitteissa, tutkajärjestelmissä, älypuhelimissa (4G-tekniikka) ja tableteissa.

Älypuhelimien elektroniset piirit voivat sisältää GaA: t. Kirjoittaja: Arek Socha. Lähde: Pixabay.

riskit

Se on erittäin myrkyllinen yhdiste. Pitkäaikainen tai toistuva altistuminen tälle aineelle aiheuttaa vahinkoa keholle.

Altistuksen oireita voivat olla hypotensio, sydämen vajaatoiminta, kouristukset, hypotermia, halvaus, hengitysödeema, syanoosi, maksakirroosi, munuaisvauriot, hematuria ja leukopenia.

Se voi aiheuttaa syöpää ja vahingoittaa hedelmällisyyttä. Se on myrkyllinen ja syöpää aiheuttava myös eläimille.

Ongelmajäte

GaA-yhdisteiden lisääntyvä käyttö elektroniikkalaitteissa on herättänyt huolta tämän materiaalin kohtalosta ympäristössä ja sen mahdollisista riskeistä kansan- ja ympäristöterveydelle.

Arseenin (myrkyllisen ja myrkyllisen elementin) vapautumisen piilevä riski on, kun GaA: ta sisältävät laitteet hävitetään kiinteiden yhdyskuntajätteiden kaatopaikoille.

Tutkimukset osoittavat, että kaatopaikkojen pH- ja redox-olosuhteet ovat tärkeitä GaAs-korroosion ja arseenin vapautumisen kannalta. PH: ssa 7,6 ja normaalissa happiatmosfäärissä jopa 15% tästä myrkyllisestä metalloidista voi vapautua.

Elektroniikkalaitteita ei tule hävittää kaatopaikoilla, koska GaA: t voivat vapauttaa myrkyllistä arseenia. Kirjoittaja: INESby. Lähde: Pixabay.

Viitteet

1. Yhdysvaltain lääketieteellinen kirjasto. (2019). Gallium-arsenidi. Palautettu pubchem.ncbi.nlm.nih.gov.
2. Choudhury, SA et ai. (2019). Metallin nanorakenteet aurinkokennoille. Nanomateriaaleissa aurinkokennoihin. Palautettu osoitteesta sciencedirect.com.
3. Ramos-Ruiz, A. et ai. (2018). Gallium-arsenidi (GaAs) -huuhtelukäyttäytyminen ja pintakemia muuttuvat vasteena pH: lle ja O _{2: lle}. Jätehuolto 77 (2018) 1-9. Palautettu osoitteesta sciencedirect.com.
4. Schlesinger, TE (2001). Gallium Arsenide. Materiaalien tietosanakirja: Tiede ja tekniikka. Palautettu osoitteesta sciencedirect.com.
5. Mylvaganam, K. et ai. (2015). Kovat ohutkalvot. GaAs-elokuva. Ominaisuudet ja tuotanto. Hioma-aineettomissa nanokäsittelyissä. Palautettu osoitteesta sciencedirect.com.
6. Lide, DR (toimittaja) (2003). CRC: n kemian ja fysiikan käsikirja. 85 ^th CRC Press.
7. Elinoff, G. (2019). Gallium Arsenide: Toinen puolijohdeteknologian pelaaja. Palautettu allaboutcircuits.com -sivustolta.
8. Silva, LH et ai. (2012). GaAs 904 nm: n lasersäteily parantaa myofiberin massan palautumista aikaisemmin krotoksiinin vaurioituneiden luuelihasten uudistumisen aikana. Lasers Med Sci 27, 993 - 1000 (2012). Palautettu osoitteesta link.springer.com.
9. Lee, S.-M. et ai. (2015). Suorituskykyiset erittäin ohut GaAs-aurinkokennot, jotka on otettu käyttöön heterogeenisesti integroiduilla dielektrisillä jaksollisilla nanorakenteilla. ACS Nano. 2015 27. lokakuuta; 9 (10): 10356-65. Palautettu osoitteesta ncbi.nlm.nih.gov.
10. Tanaka, A. (2004). Indium-arsenidin, gallium-arsenidin ja alumiini-gallium-arsenidin myrkyllisyys. Toxicol Appl Pharmacol. 2004 1. elokuuta; 198 (3): 405 - 11. Palautettu osoitteesta ncbi.nlm.nih.gov.