GALLIJA ARSENĪDS: STRUKTŪRA, ĪPAŠĪBAS, LIETOJUMS, RISKI - ĶĪMIJA - 2025

Gallija arsenīda neorganisku savienojumu, kas sastāv no gallija atoma elementa (GA) un arsēna atoms (As). Tās ķīmiskā formula ir GaAs. Tā ir tumši pelēka cieta viela, kurai var būt zili zaļš metālisks spīdums.

Šī savienojuma nanostruktūras ir iegūtas dažādos nolūkos daudzās elektronikas jomās. Tas pieder materiālu grupai, ko sauc par savienojumiem III-V, ņemot vērā tā elementu atrašanās vietu ķīmiskajā periodiskajā tabulā.

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

Tas ir pusvadītāju materiāls, kas nozīmē, ka tas var vadīt elektrību tikai noteiktos apstākļos. To plaši izmanto elektroniskās ierīcēs, piemēram, tranzistoros, GPS, LED gaismās, lāzeros, planšetdatoros un viedtālruņos.

Tam ir īpašības, kas tai ļauj viegli absorbēt gaismu un pārveidot to elektriskajā enerģijā. Šī iemesla dēļ to izmanto satelītu un kosmisko transportlīdzekļu saules baterijās.

Tas ļauj radīt starojumu, kas iekļūst dažādos materiālos un arī dzīvos organismos, neradot tiem kaitējumu. Izpētīta tāda veida GaAs lāzera izmantošana, kas reģenerē čūskas indes bojāto muskuļu masu.

Tomēr tas ir toksisks savienojums un var izraisīt vēzi cilvēkiem un dzīvniekiem. Poligonos noglabātais elektroniskais aprīkojums var izdalīt bīstamo arsēnu un kaitēt cilvēku, dzīvnieku un apkārtējās vides veselībai.

Uzbūve

Gallija arsenīdam ir attiecība 1: 1 starp periodiskās tabulas III grupas elementu un V grupas elementu, tāpēc to sauc par savienojumu III-V.

To uzskata par starpmetālisku cietu vielu, kas sastāv no arsēna (As) un gallija (Ga) ar oksidācijas stāvokļiem diapazonā no Ga ⁽⁰⁾ As ⁽⁰⁾ līdz Ga ⁽⁺³⁾ As ^(-3) .

Gallija arsenīda kristāls. W. Oelen / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0). Avots: Wikimedia Commons.

Nomenklatūra

• Gallija arsenīds
• Gallija monoarsenīds

Īpašības

Fiziskais stāvoklis

Tumši pelēka kristāliska cieta viela ar zili zaļu metālisku spīdumu vai pelēku pulveri. Tās kristāli ir kubi.

GaAs kristāli. Kreisajā pusē: pulēta puse. Labajā pusē: raupja puse. Materiālzinātnieks angļu valodas Vikipēdijā / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0). Avots: Wikimedia Commons.

Molekulārais svars

144,64 g / mol

Kušanas punkts

1238 ºC

Blīvums

5,3176 g / cm ³ 25 ° C temperatūrā.

Šķīdība

Ūdenī: mazāk nekā 1 mg / ml 20 ° C temperatūrā.

Ķīmiskās īpašības

Tam ir hidrāts, kas var veidot skābes sāļus. Tas ir stabils sausā gaisā. Mitrā gaisā tas kļūst tumšāks.

Tas var reaģēt ar tvaiku, skābēm un skābām gāzēm, izdalot indīgo gāzi, ko sauc par arsīnu, arsānu vai arsēna hidrīdu (AsH ₃ ). Reaģē ar bāzēm, kas izdala ūdeņraža gāzi.

To uzbrūk koncentrēta sālsskābe un halogēni. Kad izkausēts, tas uzbrūk kvarcam. Ja tas kļūst slapjš, tas izdala ķiploku smaku, un, karsējot līdz sadalīšanai, tas izdala ļoti toksiskas arsēna gāzes.

Citas fizikālās īpašības

Tas ir pusvadītāju materiāls, kas nozīmē, ka tas var izturēties kā pret elektrības vadītāju vai kā izolators atkarībā no apstākļiem, kādiem tas tiek pakļauts, piemēram, elektriskajam laukam, spiedienam, temperatūrai vai starojumam, ko tas saņem.

Plaisa starp elektroniskajām joslām

Tā enerģijas spraugas platums ir 1424 eV (elektronu volti). Enerģijas spraugas, aizliegtas joslas vai joslas atstarpes platums ir atstarpe starp atoma elektronu apvalkiem.

Jo plašāka enerģijas atstarpe, jo lielāka enerģija, kas nepieciešama elektroniem, lai “pārlēktu” uz nākamo apvalku un pusvadītāju mainītu uz vadītspējas stāvokli.

GaAs ir lielāka enerģijas sprauga nekā silīcijam, un tas padara to ļoti izturīgu pret radiāciju. Tas ir arī tiešs spraugas platums, tāpēc tas var izstarot gaismu efektīvāk nekā silīcijs, kura spraugas platums ir netiešs.

Iegūšana

To var iegūt, 600 ° C temperatūrā izlaižot gāzveida ūdeņraža (H ₂ ) un arsēna maisījumu virs gallija (III) oksīda (Ga ₂ O ₃ ).

To var arī pagatavot, reaģējot starp gallija (III) hlorīdu (GaCl ₃ ) un arsēna oksīdu (As ₂ O ₃ ) 800 ° C temperatūrā.

Izmantošana saules baterijās

Gallija arsenīds saules baterijās tiek izmantots kopš 70. gadiem, jo ​​tam ir izcili fotoelektriskie parametri, kas tam dod priekšrocības salīdzinājumā ar citiem materiāliem.

Tas, salīdzinot ar silīciju, pārveido saules enerģiju elektrībā, piegādājot vairāk enerģijas spēcīga siltuma vai zema apgaismojuma apstākļos - divos no ierastajiem apstākļiem, kādus iztur saules baterijas, ja mainās apgaismojuma līmenis un temperatūra.

Daži no šiem saules elementiem tiek izmantoti automašīnās, kuras darbina ar saules enerģiju, kosmosa transportlīdzekļos un satelītos.

GaAs saules baterijas nelielā satelītā. Amerikas Savienoto Valstu Jūras akadēmija / publiskais īpašums. Avots: Wikimedia Commons.

GaAs priekšrocības šai lietojumprogrammai

Tas ir izturīgs pret mitrumu un ultravioleto starojumu, kas padara to izturīgāku pret apkārtējās vides apstākļiem un ļauj to izmantot kosmosa lietojumos.

Tam ir zems temperatūras koeficients, tāpēc tas nezaudē efektivitāti augstā temperatūrā un pretojas lielām uzkrātajām starojuma devām. Radiācijas bojājumus var noņemt, atlaidinot tikai 200 ° C temperatūrā.

Tam ir augsts gaismas fotonu absorbcijas koeficients, tāpēc tam ir augsta veiktspēja vājā apgaismojumā, tas ir, tas zaudē ļoti maz enerģijas, ja ir slikts apgaismojums no saules.

GaAs saules baterijas ir efektīvas pat vājā apgaismojumā. Autors: Arek Socha. Avots: Pixabay.

Tas ražo vairāk enerģijas uz vienības laukumu nekā jebkura cita tehnoloģija. Tas ir svarīgi, ja jums ir mazs laukums, piemēram, lidmašīnas, transporta līdzekļi vai mazi satelīti.

Tas ir elastīgs un maza svara materiāls, kas ir efektīvs pat tad, ja tiek uzklāts ļoti plānās kārtās, kas padara saules bateriju par ļoti vieglu, elastīgu un efektīvu.

Kosmosa transporta līdzekļu saules baterijas

Kosmosa programmas GaAs saules baterijas ir izmantojušas vairāk nekā 25 gadus.

GaAs kombinācija ar citiem germānija, indija un fosfora savienojumiem ļāva iegūt ļoti augstas efektivitātes saules baterijas, kuras tiek izmantotas transportlīdzekļos, kuri pēta Marsa planētas virsmu.

Mākslinieka versija par Curiosity roveru uz Marsa. Šai ierīcei ir GaAs saules baterijas. NASA / JPL-Caltech / Publiskais īpašums. Avots: Wikimedia Commons.

Trūkums GaAs

Tas ir ļoti dārgs materiāls, salīdzinot ar silīciju, kas ir bijis galvenais šķērslis tā praktiskai izmantošanai zemes saules baterijās.

Tomēr tiek pētītas metodes to izmantošanai ārkārtīgi plānos slāņos, kas samazinās izmaksas.

Izmantošana elektroniskās ierīcēs

GaAs ir vairākkārt izmantots dažādās elektroniskās ierīcēs.

Tranzistoros

Tranzistori ir elementi, kas, cita starpā, kalpo elektrisko signālu pastiprināšanai un ķēžu atvēršanai vai aizvēršanai.

Izmantojot tranzistoros, GaAs ir augstāka elektroniskā mobilitāte un augstāka pretestība nekā silīcijs, tāpēc tas panes lielākas enerģijas un augstākas frekvences apstākļus, radot mazāku troksni.

GaAs tranzistors, ko izmanto jaudas pastiprināšanai. Epop / CC0. Avots: Wikimedia Commons.

GPS

Astoņdesmitajos gados šī savienojuma izmantošana ļāva miniatūrizēt Globālās pozicionēšanas sistēmas vai GPS (Globālās pozicionēšanas sistēmas) uztvērējus.

Šī sistēma ļauj ar centimetru precizitāti noteikt objekta vai personas atrašanās vietu uz visas planētas.

Gallija arsenīds tiek izmantots GPS sistēmās. Autors: Foundry Co. Avots: Pixabay.

Optoelektroniskās ierīcēs

GaAs plēvēm, kas iegūtas salīdzinoši zemā temperatūrā, ir lieliskas optoelektroniskās īpašības, piemēram, augsta pretestība (lai kļūtu par vadītāju nepieciešama liela enerģija) un ātra elektronu pārnešana.

Tiešā enerģijas sprauga padara to piemērotu izmantošanai šāda veida ierīcēs. Tās ir ierīces, kas pārveido elektrisko enerģiju starojuma enerģijā vai otrādi, piemēram, LED gaismas, lāzeri, detektori, gaismas diodes utt.

LED lukturītis. Var saturēt gallija arsenīdu. Autors: Hebi B. Avots: Pixabay.

Īpašā starojumā

Šī savienojuma īpašības ir pamudinājušas to izmantot, lai radītu starojumu ar terahercu frekvencēm, kas ir starojums, kas var iekļūt visu veidu materiālos, izņemot metālus un ūdeni.

Tā kā Terahertz starojums nav jonizējošs, to var izmantot medicīnisko attēlu iegūšanai, jo tas nebojā ķermeņa audus vai neizraisa DNS izmaiņas, piemēram, rentgenstarus.

Šie izstarojumi arī ļautu atklāt slēptos ieročus cilvēkos un bagāžā, tos varētu izmantot ķīmijas un bioķīmijas spektroskopiskās analīzes metodēs un varētu palīdzēt atklāt slēptus mākslas darbus ļoti vecās ēkās.

Iespējamā medicīniskā ārstēšana

Ir pierādīts, ka viena veida GaAs lāzers ir noderīgs, lai uzlabotu tādu muskuļu masas atjaunošanos, kuras pelēm ir sabojājis čūsku inde. Tomēr ir nepieciešami pētījumi, lai noteiktu tā efektivitāti cilvēkiem.

Dažādas komandas

To izmanto kā pusvadītāju magnētiskās pretestības ierīcēs, termistoros, kondensatoros, fotoelektroniskās optiskās šķiedras datu pārraidē, mikroviļņu krāsnīs, integrētajās shēmās, ko izmanto satelīta sakaru ierīcēs, radaru sistēmās, viedtālruņos (4G tehnoloģija) un planšetdatoros.

Viedtālruņu elektroniskās shēmas var saturēt GaAs. Autors: Arek Socha. Avots: Pixabay.

Riski

Tas ir ļoti toksisks savienojums. Ilgstoša vai atkārtota šī materiāla iedarbība nodara kaitējumu ķermenim.

Iedarbības simptomi var ietvert hipotensiju, sirds mazspēju, krampjus, hipotermiju, paralīzi, elpošanas tūsku, cianozi, aknu cirozi, nieru bojājumus, hematūriju un leikopēniju.

Tas var izraisīt vēzi un sabojāt auglību. Tas ir toksisks un kancerogēns arī dzīvniekiem.

Bīstamie atkritumi

Arvien pieaugošais GaAs pielietojums elektroniskajās ierīcēs ir radījis bažas par šī materiāla likteni vidē un tā iespējamo risku sabiedrības un vides veselībai.

Ja GaAs saturošās ierīces tiek apglabātas cieto sadzīves atkritumu poligonos, pastāv neslēpts arsēna (toksiska un indīga elementa) izdalīšanās risks.

Pētījumi rāda, ka pH un redox apstākļi poligonos ir svarīgi GaAs korozijai un arsēna izdalīšanai. Pie pH 7,6 un normālā skābekļa atmosfērā var atbrīvoties līdz 15% no šī toksiskā metalloīda.

Elektronisko aprīkojumu nedrīkst izmest poligonos, jo GaAs var atbrīvot toksisko arsēnu. Autors: INESby. Avots: Pixabay.

Atsauces

1. ASV Nacionālā medicīnas bibliotēka. (2019. gads). Gallija arsenīds. Atgūts no pubchem.ncbi.nlm.nih.gov.
2. Choudhury, SA et al. (2019. gads). Metāla nanostruktūras saules baterijām. Nanomateriālos saules šūnu lietojumiem. Atgūts no vietnes sciencedirect.com.
3. Ramos-Ruiz, A. et al. (2018). Gallija arsenīda (GaAs) izskalošanās izturēšanās un virsmas ķīmiskās izmaiņas mainās, reaģējot uz pH un O ₂ . Atkritumu apsaimniekošana 77 (2018) 1. – 9. Atgūts no vietnes sciencedirect.com.
4. Schlesinger, TE (2001). Gallium Arsenide. Materiālu enciklopēdijā: Zinātne un tehnoloģija. Atgūts no vietnes sciencedirect.com.
5. Mylvaganam, K. et al. (2015). Cietas plānas plēves. GaAs filma. Īpašības un ražošana. Anti-abrazīvos nanocoatings. Atgūts no vietnes sciencedirect.com.
6. Lide, DR (redaktors) (2003). CRC ķīmijas un fizikas rokasgrāmata. 85 ^th CRC Press.
7. Elinoff, G. (2019). Gallium Arsenide: vēl viens pusvadītāju tehnoloģiju spēlētājs. Atgūts no allaboutcircuits.com.
8. Silva, LH et al. (2012). GaAs 904 nm lāzera apstarošana uzlabo miofiberu masas atjaunošanos skeleta muskuļa reģenerācijas laikā, ko iepriekš ir sabojājis krotoksīns. Lasers Med Sci 27, 993-1000 (2012). Atgūts no saites.springer.com.
9. Lī, S.-M. un citi. (2015). Augstas veiktspējas īpaši plānas GaAs saules baterijas, kas iespējotas ar neviendabīgi integrētām dielektriskām periodiskām nanostruktūrām. ACS Nano. 2015. gada 27. oktobris; 9 (10): 10356-65. Atgūts no ncbi.nlm.nih.gov.
10. Tanaka, A. (2004). Indija arsenīda, gallija arsenīda un alumīnija gallija arsenīda toksicitāte. Toxicol Appl Pharmacol. 2004. gada 1. augusts; 198 (3): 405–11. Atgūts no ncbi.nlm.nih.gov.