金属プロファイル: ガリウム
LEDライトを明るく輝かせるマイナーメタル
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ガリウムは腐食性の銀色の微量金属で、室温近くで融解し、半導体化合物の製造に最もよく使用されます。
プロパティ：
- 原子記号: Ga
- 原子番号: 31
- 要素カテゴリ: ポスト遷移金属
- 密度: 5.91 g/cm³ (73°F / 23°C)
- 融点: 85.58°F (29.76°C)
- 沸点: 3999°F (2204°C)
- モース硬度：1.5
特徴:
純粋なガリウムは銀白色で、85°F (29.4°C) 未満の温度で溶けます。金属は約 4000°F (2204°C) まで溶融状態のままであり、すべての金属元素の中で最大の液体範囲を与えます。
ガリウムは、冷却すると膨張し、体積が 3% 強増加する数少ない金属の 1 つです。
ガリウムは他の金属と容易に合金化しますが、腐食性の、格子に拡散し、ほとんどの金属を弱めます。ただし、融点が低いため、特定の低融点合金で有用です。
とは対照的に 水星 も室温で液体ですが、ガリウムは皮膚とガラスの両方を濡らし、取り扱いがより困難になります。ガリウムは水銀ほど毒性がありません。
歴史：
1875 年にスファレライト鉱石の調査中に Paul-Emile Lecoq de Boisbaudran によって発見されたガリウムは、20 世紀後半まで商業用途に使用されませんでした。
ガリウムは構造用金属としてはほとんど役に立ちませんが、多くの最新の電子機器におけるその価値は過小評価できません。
ガリウムの商用利用は、1950 年代初頭に始まった発光ダイオード (LED) および III-V 無線周波数 (RF) 半導体技術に関する初期の研究から発展しました。
1962 年、IBM の物理学者 J.B. Gunn のガリウム砒素 (GaAs) に関する研究により、現在「ガン効果」として知られている特定の半導体固体を流れる電流の高周波振動が発見されました。このブレークスルーにより、ガン ダイオード (転送電子デバイスとしても知られる) を使用して初期の軍用検出器を構築する道が開かれました。このダイオードは、その後、自動車のレーダー検出器や信号制御装置から水分含有量検出器や盗難警報器に至るまで、さまざまな自動化デバイスで使用されてきました。
GaAs に基づく最初の LED とレーザーは、RCA、GE、および IBM の研究者によって 1960 年代初頭に製造されました。
当初、LED は目に見えない赤外線光波を生成することしかできず、光をセンサーや光電アプリケーションに限定していました。しかし、エネルギー効率の高いコンパクトな光源としての可能性は明らかでした。
1960 年代初頭までに、Texas Instruments は LED の商用提供を開始しました。 1970 年代までに、時計や電卓のディスプレイに使用される初期のデジタル ディスプレイ システムが、すぐに LED バックライト システムを使用して開発されました。
1970 年代と 1980 年代のさらなる研究により、より効率的な蒸着技術がもたらされ、LED 技術の信頼性と費用対効果が向上しました。ガリウム アルミニウム ヒ素 (GaAlAs) 半導体化合物の開発により、以前の 10 倍の明るさの LED が実現しました。 導いた は、窒化インジウム ガリウム (InGaN)、リン化ガリウムヒ素 (GaAsP)、リン化ガリウム (GaP) などの新しいガリウム含有半導体基板に基づいて進歩しています。
1960 年代後半までに、宇宙探査用の太陽エネルギー源の一部として GaAs 導電特性も研究されていました。 1970 年、ソビエトの研究チームが最初の GaAs ヘテロ構造太陽電池を作成しました。
光電子デバイスや集積回路 (IC) の製造に不可欠な GaAs ウエハーの需要は、1990 年代後半から 21 世紀初頭にかけて、モバイル通信や代替エネルギー技術の発展に伴って急増しました。
驚くことではありませんが、この需要の増加に対応して、2000 年から 2011 年にかけて、世界の一次ガリウム生産量は年間約 100 トン (MT) から 2 倍以上になり、300 トン以上になりました。
製造：
地殻の平均ガリウム含有量は約 15 ppm であると推定されており、リチウムとほぼ同じであり、ガリウムよりも一般的です。 リード .しかし、金属は広く分散しており、経済的に採掘できる鉱体はほとんどありません。
生産されるすべての一次ガリウムの 90% は現在、アルミナ (Al2O3) の前駆体であるボーキサイトから抽出されています。 アルミニウム .少量のガリウムが副産物として生成されます。 亜鉛 閃亜鉛鉱の精錬時の抽出。
アルミニウム鉱石をアルミナに精製するバイエル プロセスでは、粉砕された鉱石を水酸化ナトリウム (NaOH) の高温溶液で洗浄します。これにより、アルミナがアルミン酸ナトリウムに変換され、タンクに沈殿し、ガリウムを含む水酸化ナトリウム液が再利用のために回収されます。
このリカーはリサイクルされるため、ガリウム含有量はサイクルごとに増加し、約 100 ～ 125ppm のレベルに達します。次いで、混合物を採取し、有機キレート剤を用いた溶媒抽出により没食子酸塩として濃縮することができる。
104 ～ 140°F (40 ～ 60°C) の温度の電解浴では、ガレート ナトリウムが不純なガリウムに変換されます。酸で洗浄した後、これを多孔質のセラミックまたはガラス板でろ過して、99.9 ～ 99.99% のガリウム金属を生成します。
99.99% は GaAs アプリケーションの標準前駆体グレードですが、新しい用途では、金属を真空下で加熱して揮発性元素を除去するか、電気化学的精製および分別結晶化法によって達成できる、より高い純度が必要です。
過去 10 年間で、世界の主要なガリウム生産の多くは中国に移され、中国は現在、世界のガリウムの約 70% を供給しています。他の主要生産国には、ウクライナとカザフスタンが含まれます。
ガリウムの年間生産量の約 30% は、スクラップや、GaAs を含む IC ウエハーなどのリサイクル可能な材料から抽出されます。ほとんどのガリウムのリサイクルは、日本、北米、ヨーロッパで行われています。
の 米国地質調査所 は、2011 年に 310MT の精製ガリウムが生産されたと推定しています。
世界最大の生産者には、Zhuhai Fangyuan、Beijing Jiya Semiconductor Materials、Recapture Metals Ltd. などがあります。
アプリケーション:
合金化されたガリウムが腐食したり、金属を次のようにする傾向がある場合 鋼 もろい。この特性は、その非常に低い融解温度とともに、ガリウムが構造用途ではほとんど役に立たないことを意味します.
ガリウムは金属の形で、はんだや低融点合金に使用されます。 このエントリ 、しかし、それは半導体材料で最も頻繁に見られます。
ガリウムの主な用途は、次の 5 つのグループに分類できます。
1. 半導体: 年間ガリウム消費量の約 70% を占める GaAs ウエハーは、GaAs IC の省電力と増幅能力に依存するスマートフォンやその他のワイヤレス通信デバイスなど、多くの最新の電子デバイスのバックボーンです。
2. 発光ダイオード (LED): 2010 年以降、モバイルおよびフラット スクリーン ディスプレイ画面での高輝度 LED の使用により、LED 部門からのガリウムの世界的な需要は 2 倍になったと報告されています。エネルギー効率の向上に向けた世界的な動きは、白熱灯や小型蛍光灯に代わる LED 照明の使用に対する政府の支援にもつながっています。
3. 太陽エネルギー: 太陽エネルギー用途でのガリウムの使用は、次の 2 つの技術に焦点を当てています。
- GaAs集光型太陽電池
- カドミウム - インジウム - ガリウム - セレン化物 (CIGS) 薄膜太陽電池
どちらの技術も、高効率の太陽電池として、特に航空宇宙や軍事に関連する特殊なアプリケーションで成功を収めていますが、大規模な商用利用には依然として障壁に直面しています。
4.磁性材料：高強度、永久 磁石 コンピューター、ハイブリッド自動車、風力タービン、その他のさまざまな電子機器や自動化機器の主要コンポーネントです。ガリウムの少量の追加は、ネオジムを含む一部の永久磁石で使用されています。 鉄 - ボロン (NdFeB)磁石。
5. その他の用途:
ソース:
ソフトペディア。 LED（発光ダイオード）の歴史。
アンソニー・ジョン・ダウンズ (1993)、「アルミニウム、ガリウム、インジウム、およびタリウムの化学」。スプリンガー、ISBN 978-0-7514-0103-5
Barratt、Curtis A.「III-V 半導体、RF アプリケーションの歴史」。 ECS トランス . 2009 年、第 19 巻、第 3 号、79 ～ 84 ページ。
シューベルト、E.フレッド。 発光ダイオード .レンセラー工科大学、ニューヨーク。 2003 年 5 月。
USGS。鉱物商品の概要: ガリウム。
ソース： http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/gallium/index.html
SMレポート。 副産物金属：アルミニウムとガリウムの関係 .