GALIJEV ARZENID: STRUKTURA, LASTNOSTI, UPORABE, TVEGANJA - KEMIJA - 2025

Galijev arzenid anorganske spojine, ki jo sestavljajo galij atoma elementa (GA) in arzena atomom (As). Njegova kemijska formula je GaAs. Je temno siva trdna snov, ki ima modro-zeleni kovinski odtenek.

Nanostrukture te spojine so bile pridobljene s potencialom za različne namene na številnih področjih elektronike. Spada v skupino materialov, imenovane spojine III-V zaradi lokacije njegovih elementov v kemijski periodični tabeli.

GaAs nanostrukture. Яна Syčikova, Sergej Kovačёv / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0). Vir: Wikimedia Commons.

Je polprevodniški material, kar pomeni, da lahko električno energijo vodi le pod določenimi pogoji. Široko se uporablja v elektronskih napravah, kot so tranzistorji, GPS, LED luči, laserji, tablice in pametni telefoni.

Ima lastnosti, ki mu omogočajo, da zlahka absorbira svetlobo in jo pretvori v električno energijo. Zaradi tega se uporablja v sončnih celicah satelitov in vesoljskih vozilih.

Omogoča ustvarjanje sevanja, ki prodira v različne materiale in tudi žive organizme, ne da bi jim škodo povzročilo. Preučevali smo uporabo vrste GaAs laserja, ki obnavlja mišično maso, ki jo je poškodoval kačji strup.

Vendar pa je strupena spojina in lahko povzroči raka pri ljudeh in živalih. Elektronska oprema, ki se odloži na odlagališča, lahko sprošča nevaren arzen in škoduje zdravju ljudi, živali in okolja.

Struktura

Galijev arsenid ima razmerje 1: 1 med elementom III skupine periodične tabele in elementom skupine V, zato ga imenujemo spojina III-V.

Velja za intermetalno trdno snov, sestavljeno iz arzena (As) in galija (Ga) z oksidacijskimi stanji, ki segajo od Ga ⁽⁰⁾ As ⁽⁰⁾ do Ga ⁽⁺³⁾ As ^(-3) .

Kristal galijevega arzenida. W. Oelen / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0). Vir: Wikimedia Commons.

Nomenklatura

• Galijev arzenid
• Galijev monoarsenid

Lastnosti

Fizično stanje

Temno siva kristalna trdna snov z modro-zelenim kovinskim sijajem ali sivim prahom. Njeni kristali so kubični.

GaAs kristali. Levo: polirana stran. Desno: groba stran. Materialcientist na angleški Wikipediji / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0). Vir: Wikimedia Commons.

Molekularna teža

144,64 g / mol

Tališče

1238 ºC

Gostota

5,3176 g / cm ³ pri 25 ° C.

Topnost

V vodi: manj kot 1 mg / ml pri 20 ° C.

Kemijske lastnosti

Ima hidrat, ki lahko tvori kisle soli. Stabilen je na suhem zraku. V vlažnem zraku potemni.

Lahko reagira s paro, kislinami in kislinskimi plini, pri čemer oddaja strupen plin, imenovan arzin, arzan ali arzenov hidrid (AsH ₃ ). Reagira z bazami, ki oddajajo vodikov plin.

Napadajo jo koncentrirana klorovodikova kislina in halogeni. Ko stalje, napada kremen. Če se zmoči, oddaja česnov vonj in če se segreje do razpada, oddaja zelo strupene arzenove pline.

Druge fizikalne lastnosti

Je polprevodniški material, kar pomeni, da se lahko obnaša kot prevodnik električne energije ali kot izolator, odvisno od pogojev, ki jim je izpostavljen, kot so električno polje, tlak, temperatura ali sevanje, ki ga dobi.

Vrzel med elektronskimi pasovi

Ima širino energijske reže 1424 eV (elektronski volti). Širina energijske vrzeli, prepovedanega pasu ali pasu je prostor med elektronskimi lupinami atoma.

Čim širša je energijska vrzel, večja bo energija, ki jo potrebujejo elektroni, da "skočijo" na naslednjo lupino in povzroči, da se polprevodnik spremeni v prevodno stanje.

GaAs ima širšo energijsko vrzel kot silicij, zaradi česar je zelo odporen proti sevanju. Je tudi neposredna širina reže, zato lahko oddaja svetlobo učinkoviteje kot silicij, katerega širina reže je posredna.

Pridobitev

Dobite ga lahko s prepustitvijo plinaste mešanice vodika (H ₂ ) in arzena nad galijevim (III) oksidom (Ga ₂ O ₃ ) pri 600 ° C.

Pripravimo ga lahko tudi z reakcijo med galijevim (III) kloridom (GaCl ₃ ) in arzenovim oksidom (As ₂ O ₃ ) pri 800 ° C.

Uporaba v sončnih celicah

Galijev arsenid se v sončnih celicah uporablja že od 70. let prejšnjega stoletja, saj ima izjemne fotovoltaične lastnosti, ki mu dajejo prednost pred drugimi materiali.

Bolj kot silicij deluje pri pretvorbi sončne energije v električno energijo, pri čemer daje veliko energije v pogojih visoke toplote ali slabe svetlobe, kar je dva pogosta stanja, ki jih preživijo sončne celice, kjer pride do sprememb v ravni osvetlitve in temperature.

Nekatere od teh sončnih celic se uporabljajo v avtomobilih s sončnim pogonom, vesoljskih vozilih in satelitih.

Sončne celice GaAs na majhnem satelitu. Naval Academy of United States / Javna domena. Vir: Wikimedia Commons.

Prednosti GaAs za to aplikacijo

Odporen je na vlago in ultravijolično sevanje, zaradi česar je trpežnejši pred okoljskimi razmerami in omogoča uporabo v vesoljskih aplikacijah.

Ima nizek temperaturni koeficient, zato pri visokih temperaturah ne izgublja učinkovitosti in se upira visokim nabranim odmerkom sevanja. Škodo zaradi sevanja lahko odstranite s kaljenjem pri samo 200 ° C.

Ima visok koeficient absorpcije fotonov svetlobe, zato ima visoko zmogljivost pri šibki svetlobi, torej izgubi zelo malo energije, kadar je slaba osvetlitev od sonca.

Solarne celice GaAs so učinkovite tudi pri šibki svetlobi. Avtor: Arek Socha Vir: Pixabay.

Na enoto površine proizvede več energije kot katera koli druga tehnologija. To je pomembno, če imate majhno območje, kot so letala, vozila ali majhni sateliti.

Je fleksibilen material z majhno težo, saj je učinkovit tudi pri nanašanju v zelo tankih plasteh, zaradi česar je sončna celica zelo lahka, prožna in učinkovita.

Sončne celice za vesoljska vozila

Vesoljski programi uporabljajo sončne celice GaAs že več kot 25 let.

Kombinacija GaAs z drugimi spojinami germanija, indija in fosforja je omogočila pridobitev sončnih celic zelo visoke učinkovitosti, ki se uporabljajo v vozilih, ki raziskujejo površino planeta Mars.

Umetnikova različica roverja Curiosity na Marsu. Ta naprava ima sončne celice GaAs. NASA / JPL-Caltech / Javna domena. Vir: Wikimedia Commons.

Pomanjkljivost GaAs

V primerjavi s silicijem je zelo drag material, ki je bil glavna ovira pri njegovi praktični izvedbi v prizemnih sončnih celicah.

Vendar se preučujejo metode za njihovo uporabo v izjemno tankih plasteh, kar bo zmanjšalo stroške.

Uporaba v elektronskih napravah

GaAs ima več možnosti uporabe v različnih elektronskih napravah.

V tranzistorjih

Tranzistorji so elementi, ki med drugim uporabljajo za ojačanje električnih signalov in zapiranje ali zapiranje vezij.

GaAs, ki se uporablja v tranzistorjih, ima večjo elektronsko mobilnost in večjo upornost kot silicij, zato prenaša pogoje višje energije in višje frekvence, ustvarja manj hrupa.

GaAs tranzistor, ki se uporablja za povečanje moči. Epop / CC0. Vir: Wikimedia Commons.

Na GPS

V osemdesetih letih prejšnjega stoletja je uporaba te spojine omogočila miniaturizacijo sprejemnikov Global Positioning System ali GPS (Global Positioning System).

Ta sistem omogoča določitev položaja predmeta ali osebe na celotnem planetu z natančnostjo centimetrov.

Galijev arsenid se uporablja v sistemih GPS. Avtor: Foundry Co. Vir: Pixabay.

V optoelektronskih napravah

Filmi GaAs, dobljeni pri sorazmerno nizkih temperaturah, imajo odlične optoelektronske lastnosti, kot so velika upornost (potrebna je velika energija, da postane prevodnik) in hiter prenos elektronov.

Zaradi neposredne energijske vrzeli je primeren za uporabo v tej vrsti naprav. Gre za naprave, ki pretvorijo električno energijo v sevalno energijo ali obratno, kot so LED luči, laserji, detektorji, svetleče diode itd.

LED svetilka. Lahko vsebuje galijev arzenid. Avtor: Hebi B. Vir: Pixabay.

V posebnem sevanju

Lastnosti te spojine so spodbudile njeno uporabo za ustvarjanje sevanja s frekvencami terahercev, ki so sevanje, ki lahko prodre v vse vrste materialov, razen kovin in vode.

Terahertz sevanje, ker ni ionizirajoče, lahko uporabimo pri pridobivanju medicinskih slik, saj ne poškoduje tkiva telesa ali povzroči sprememb v DNK, kot so rentgenski žarki.

Ta sevanja bi omogočila tudi odkrivanje skritega orožja pri ljudeh in prtljagi, uporabila jih je mogoče pri metodah spektroskopske analize v kemiji in biokemiji in lahko pomagala odkriti skrita umetniška dela v zelo starih stavbah.

Potencialno medicinsko zdravljenje

Izkazalo se je, da je tip GaAs laserja koristen pri izboljšanju regeneracije mišične mase, ki jo poškoduje vrsta kačjih strupov pri miših. Vendar pa so potrebne študije za določitev njegove učinkovitosti pri ljudeh.

Različne ekipe

Uporablja se kot polprevodnik v napravah z magnetno odpornostjo, termistorji, kondenzatorji, fotoelektronski prenos optičnih vlaken, mikrovalovi, integrirana vezja, ki se uporabljajo v napravah za satelitsko komunikacijo, radarskih sistemih, pametnih telefonih (tehnologija 4G) in tablicah.

Elektronska vezja v pametnih telefonih lahko vsebujejo GaA. Avtor: Arek Socha Vir: Pixabay.

Tveganja

Je zelo strupena spojina. Dolgotrajna ali večkratna izpostavljenost temu materialu povzroči telesno škodo.

Simptomi izpostavljenosti lahko med drugim vključujejo hipotenzijo, srčno popuščanje, epileptične napade, hipotermijo, paralizo, dihalni edem, cianozo, cirozo jeter, okvaro ledvic, hematurijo in levkopenijo.

Lahko povzroči raka in poškoduje plodnost. Toksičen in rakotvoren je tudi za živali.

Nevarni odpadki

Vse večja uporaba GaA v elektronskih napravah je sprožila zaskrbljenost glede usode tega materiala v okolju in njegovih potencialnih tveganj za javno zdravje in zdravje ljudi.

Ko se naprave, ki vsebujejo GaAs, odlagajo na odlagališča trdnih odpadkov, obstaja latentno tveganje za sproščanje arzena (strupenih in strupenih elementov).

Študije kažejo, da so pH in redoks pogoji na odlagališčih pomembni za korozijo GaAs in sproščanje arzena. Pri pH 7,6 in v normalni kisikovi atmosferi se lahko sprosti do 15% tega strupenega metaloida.

Elektronske opreme ne smete odlagati na odlagališča, ker GaA lahko sprošča strupeni arzen. Avtor: INESby. Vir: Pixabay.

Reference

1. Ameriška nacionalna medicinska knjižnica. (2019). Galijev arzenid. Obnovljeno iz pubchem.ncbi.nlm.nih.gov.
2. Choudhury, SA in sod. (2019). Kovinske nanostrukture za sončne celice. V Nanomaterials za sončne celice. Pridobljeno od sciencedirect.com.
3. Ramos-Ruiz, A. et al. (2018). Obnašanje izpiranja galijevega arzenida (GaAs) in spremembe površinske kemije kot odziva na pH in O ₂ . Ravnanje z odpadki 77 (2018) 1–9. Pridobljeno od sciencedirect.com.
4. Schlesinger, TE (2001). Galijev arsenid. V Enciklopediji materialov: znanost in tehnologija. Pridobljeno od sciencedirect.com.
5. Mylvaganam, K. et al. (2015). Trdi tanki filmi. GaAs film. Lastnosti in proizvodnja. V antiabrazivnih nano premazih. Pridobljeno od sciencedirect.com.
6. Lide, DR (urednik) (2003). CRC Priročnik za kemijo in fiziko. 85 ^th CRC Press.
7. Elinoff, G. (2019). Galijev arsenid: še en igralec v polprevodniški tehnologiji. Pridobljeno iz allaboutcircuits.com.
8. Silva, LH in sod. (2012). GaAs 904-nm lasersko obsevanje izboljšuje obnovo miofibre med regeneracijo skeletne mišice, ki je bila predhodno poškodovana s krotoksinom. Laserji Med Sci 27, 993-1000 (2012). Obnovljeno s povezave.springer.com.
9. Lee, S.-M. et al. (2015). Visokozmogljive sončne celice ultra tanke GaAs so omogočene s heterogeno integrirano dielektrično periodično nanostrukturo. ACS Nano. 2015 27. okt; 9 (10): 10356-65. Pridobljeno iz ncbi.nlm.nih.gov.
10. Tanaka, A. (2004). Toksičnost indijevega arzenida, galijevega arzenida in aluminijevega galijevega arzenida. Toksicol Appl Pharmacol. 2004 1. avgust; 198 (3): 405–11. Pridobljeno iz ncbi.nlm.nih.gov.