Métal Profil: Gallium

Le gallium est un métal mineur corrosif de couleur argent qui fond à la température ambiante et qui est le plus souvent utilisé dans la production de composés semi-conducteurs.

Propriétés:

• Atomique Symbole: Ga
• Numéro atomique: 31
• Element Catégorie: Métal post-transitionnel
• Densité: 5. 91 g / cm³ (à 73 ° F / 23 ° C)
• Point de fusion: 85. 58 ° F (29. 76 ° C)
• Point d'ébullition: 3999 ° F (2204 ° C)
• Dureté de Moh: 1. 5

Caractéristiques:

Le gallium pur est d'un blanc argenté et fond à des températures inférieures à 85 ° F (29. 4 ° C).

Le métal reste à l'état fondu jusqu'à 2204 ° C (4000 ° F), ce qui lui confère la plus grande plage de liquides de tous les éléments métalliques.

Le gallium est l'un des rares métaux qui se dilate au fur et à mesure qu'il refroidit, augmentant en volume d'un peu plus de 3%.

Bien que le gallium s'unisse facilement avec d'autres métaux, il est corrosif et se diffuse dans le réseau cristallin de la plupart des métaux. Son point de fusion bas, cependant, le rend utile dans certains alliages à faible point de fusion.

Contrairement au 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. Pourtant, le gallium n'est pas aussi toxique que le mercure.

Historique:

Découvert en 1875 par Paul-Emile Lecoq de Boisbaudran en examinant les minerais de sphalérite, le gallium n'a été utilisé dans aucune application commerciale jusqu'à la dernière partie du 20ème siècle.

Le gallium est peu utilisé comme métal de construction, mais sa valeur dans de nombreux appareils électroniques modernes ne peut être sous-estimée.

Utilisations commerciales du gallium issues de la recherche initiale sur les diodes électroluminescentes (DEL) et de la technologie des semi-conducteurs à radiofréquence (RF) III-V, qui a débuté au début des années 1950.

En 1962, la recherche du physicien IBM B. Gunn sur l'arséniure de gallium (GaAs) a conduit à la découverte d'oscillations à haute fréquence du courant électrique circulant dans certains solides semi-conducteurs - maintenant connu sous le nom d'effet Gunn.

Cette découverte a ouvert la voie à la construction de détecteurs militaires à l'aide de diodes Gunn (également connues sous le nom d'électrons de transfert) utilisées depuis de nombreux automates, depuis les détecteurs de radar et les contrôleurs de signaux jusqu'aux détecteurs d'humidité et aux alarmes antivol .

Les premiers 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 étaient seulement capables de produire des ondes lumineuses infrarouges invisibles, limitant les lumières au capteur, et les applications photoélectroniques. Mais leur potentiel en tant que sources de lumière compacte éconergétiques était évident.

Au début des années 1960, Texas Instruments commença à commercialiser des LED. Dans les années 1970, les premiers systèmes d'affichage numérique, utilisés dans les montres et les affichages de la calculatrice, ont été bientôt développés en utilisant des systèmes de rétroéclairage LED.

Des recherches plus poussées dans les années 1970 et 1980 ont permis de développer des techniques de dépôt plus efficaces, rendant la technologie LED plus fiable et plus rentable. Le développement de composés semiconducteurs de gallium-aluminium-arsenic (GaAlAs) a permis d'obtenir des DEL dix fois plus brillantes que les précédentes, tandis que le spectre de couleurs disponible pour les DEL évoluait également à partir de nouveaux substrats semi-conducteurs contenant du gallium. le gallium-nitrure (InGaN), le gallium-arséniure-phosphure (GaAsP), et le gallium-phosphure (GaP).

À la fin des années 1960, les propriétés conductrices du GaAs étaient également étudiées 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 de GaAs a augmenté à la fin des années 1990 et au début du XXIe siècle en corrélation avec le développement des technologies de communication mobile et alternative.

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 par an à plus de 300 tonnes métriques.

Production:

La teneur moyenne en gallium de la croûte terrestre est estimée à environ 15 parties par million, à peu près similaire au lithium et plus commune que le plomb.

Cependant, le métal est très dispersé et présent dans peu de corps minéralisés économiquement exploitables.

Jusqu'à 90% du gallium primaire produit est actuellement extrait de la bauxite lors du raffinage de l'alumine (Al2O3), un précurseur de l'aluminium. Une petite quantité de gallium est produite comme sous-produit de l'extraction du zinc pendant l'affinage du minerai de sphalérite.

Pendant le procédé Bayer de raffinage du minerai d'aluminium en alumine, le minerai concassé est lavé avec une solution chaude d'hydroxyde de sodium (NaOH). Cela convertit 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 recueillie pour la réutilisation.

Parce que cette liqueur est recyclée, la teneur en gallium augmente après chaque cycle jusqu'à ce qu'elle atteigne un niveau d'environ 100-125ppm. Le mélange peut ensuite être prélevé et concentré sous forme de gallate par extraction au solvant en utilisant des agents chélatants organiques.

Dans un bain d'électrolyse à des températures de 40 à 60 ° C (104-140 ° F), la gallate de sodium est transformée en gallium impur. Après lavage à l'acide, celui-ci peut ensuite être filtré à travers des plaques de céramique ou de verre poreux pour créer 99. 9-99. 99% de gallium métallique.

99. 99% est la qualité de précurseur standard pour les applications de GaAs, mais de nouvelles utilisations nécessitent des puretés plus élevées qui peuvent être obtenues en chauffant le métal sous vide pour éliminer les éléments volatils ou les méthodes de purification électrochimique et de cristallisation fractionnée.

Au cours de la dernière décennie, une grande partie de la production primaire de gallium dans le monde a été exportée en Chine, qui fournit maintenant environ 70% du gallium mondial. Les autres pays producteurs primaires comprennent l'Ukraine et le Kazakhstan.

Environ 30% de la production annuelle de gallium est extraite des rebuts et des matériaux recyclables tels que les plaquettes IC contenant du GaAs.La majeure partie du recyclage du gallium a lieu au Japon, en Amérique du Nord et en Europe.

Le US Geological Survey estime que 310MT de gallium raffiné ont été produits en 2011.

Les plus grands producteurs mondiaux comprennent Zhuhai Fangyuan, Beijing Jiya Semiconductor Materials et Recapture Metals Ltd.

Applications:

Quand le gallium est allié a tendance à corroder ou à rendre les métaux comme l'acier cassant. Ce caractère, avec 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 faible 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 5 groupes:

1. Semi-conducteurs: Comptant pour environ 70% de la consommation annuelle de gallium, les plaquettes de GaAs sont l'épine dorsale de nombreux appareils électroniques modernes, tels que les smartphones et autres dispositifs de communication sans fil reposant sur l'économie d'énergie et l'amplification des CI GaAs.

2. Diodes électroluminescentes (DEL): Depuis 2010, la demande mondiale de gallium provenant du secteur des DEL aurait doublé en raison de l'utilisation de DEL à haute luminosité dans 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 l'éclairage fluorescent incandescent et compact.

3. Énergie solaire: l'utilisation de Gallium dans les applications d'énergie solaire se concentre sur deux technologies:

cellules solaires à concentrateur GaAs

cellules solaires à couche mince cadmium-indium-gallium-séléniure (CIGS)

• comme cellules photovoltaïques hautement efficaces ont eu du succès dans des applications spécialisées, notamment dans le domaine aérospatial et militaire, mais se heurtent encore à des obstacles à une utilisation commerciale à grande échelle.
• 4. Matériaux magnétiques: Les aimants permanents à haute résistance sont un composant 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 les aimants néodyme-fer-bore (NdFeB).

5. Autres applications:

Alliages spéciaux et soudures

Miroirs mouillants

• Avec plutonium comme stabilisant nucléaire
• Alliage à mémoire de forme nickel-manganèse-gallium
• Catalyseur à base de pétrole
• Applications biomédicales, y compris pharmaceutiques nitrate)
• Phosphores
• Détection de neutrinos
• Sources:
• Softpedia. Histoire des LED (diodes électroluminescentes).

_{Source: // web. archiver. org / web / 20130325193932 / // gadgets. softpedia. com / Nouvelles / Histoire-de-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. "Semiconducteurs III-V, 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. USGS. Résumés des produits minéraux: Gallium. Source: // minéraux. usgs. gov / minéraux / pubs / marchandise / gallium / index. html}

_{Rapport SM.}

_{Métaux dérivés: la relation aluminium-gallium}

_{. URL: www. stratégique-métal. typepad. com}