GALLIUMARSENID: STRUKTUR, EGENSKABER, ANVENDELSER, RISICI - KEMI - 2025

Den galliumarsenid en uorganisk forbindelse bestående af gallium atom element (Ga) og arsen atom (As). Dens kemiske formel er GaAs. Det er et mørkegrå fast stof, der kan have en blågrøn metallisk glans.

Nanostrukturer af denne forbindelse er opnået med potentiale til forskellige anvendelser inden for mange elektronikområder. Det hører til en gruppe af materialer kaldet forbindelser III-V på grund af placeringen af ​​dets elementer i den kemiske periodiske tabel.

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

Det er et halvledermateriale, hvilket betyder, at det kun kan lede elektricitet under visse betingelser. Det bruges i vid udstrækning i elektroniske enheder, såsom transistorer, GPS, LED-lys, lasere, tablets og smarttelefoner.

Det har egenskaber, der gør det nemt at absorbere lys og omdanne det til elektrisk energi. Af denne grund bruges det i solceller fra satellitter og rumkøretøjer.

Det tillader generering af stråling, der trænger ind i forskellige materialer og også levende organismer, uden at forårsage skade på dem. Brugen af ​​en type GaAs-laser, der regenererer muskelmasse, der er beskadiget af slangegift, er blevet undersøgt.

Imidlertid er det en giftig forbindelse og kan forårsage kræft hos mennesker og dyr. Elektronisk udstyr, der bortskaffes på deponeringsanlæg, kan frigive farligt arsen og være skadeligt for menneskers, dyrs og miljøets helbred.

Struktur

Galliumarsenid har et forhold på 1: 1 mellem et element i gruppe III i det periodiske system og et element i gruppe V, hvorfor det kaldes forbindelse III-V.

Det betragtes som et intermetallisk fast stof, der er sammensat af arsen (As) og gallium (Ga) med oxidationstilstande, der spænder fra Ga ⁽⁰⁾ As ⁽⁰⁾ til Ga ⁽⁺³⁾ As ^(-3).

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

nomenklatur

• Galliumarsenid
• Gallium monoarsenid

Ejendomme

Fysisk tilstand

Mørkegrå krystallinsk fast stof med blågrøn metallisk glans eller gråt pulver. Dens krystaller er kubiske.

GaAs krystaller. Venstre: poleret side. Højre: ru side. Materialscientist på engelsk Wikipedia / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0). Kilde: Wikimedia Commons.

Molekylær vægt

144,64 g / mol

Smeltepunkt

1238 ºC

Massefylde

5,3176 g / cm ³ ved 25 ° C

Opløselighed

I vand: mindre end 1 mg / ml ved 20 ° C.

Kemiske egenskaber

Det har et hydrat, der kan danne syresalte. Det er stabilt i tør luft. I fugtig luft mørker det.

Det kan reagere med damp, syrer og sure gasser og afgiver den giftige gas kaldet arsin, arsan eller arsenhydrid (AsH ₃). Reagerer med baser, der udsender brintgas.

Den angribes af koncentreret saltsyre og af halogener. Når den smeltes, angriber den kvartset. Hvis det bliver vådt, afgiver det en hvidløgslugt, og hvis den opvarmes til nedbrydning, udsender den meget giftige arsengasser.

Andre fysiske egenskaber

Det er et halvledermateriale, hvilket betyder, at det kan opføre sig som en leder af elektricitet eller som en isolator afhængigt af de forhold, som det udsættes for, såsom det elektriske felt, tryk, temperatur eller stråling, den modtager.

Mellemrum mellem elektroniske bånd

Det har en energiafstandsbredde på 1.424 eV (elektron volt). Bredden på energigabet, forbudt bånd eller båndafstand er mellemrummet mellem et atoms elektronskaller.

Jo bredere energiforbruget er, jo større er krævet af elektronerne for at "hoppe" til den næste skal og få halvlederen til at skifte til en ledende tilstand.

GaAs har et større energigap end silicium, og det gør det meget modstandsdygtigt over for stråling. Det er også en direkte spaltebredde, så det kan udsende lys mere effektivt end silicium, hvis spaltebredde er indirekte.

Indhentning

Det kan opnås ved at lede en gasformig blanding af hydrogen (H ₂) og arsen løbet gallium (III) oxid (Ga ₂ O ₃) ved 600 ° C

Det kan også fremstilles ved omsætning mellem gallium (III) chlorid (GaCl ₃) og arsen oxid (Som ₂ O ₃) ved 800 ° C

Brug i solceller

Galliumarsenid er blevet brugt i solceller siden 1970'erne, da det har enestående fotovoltaiske egenskaber, der giver det en fordel i forhold til andre materialer.

Det klarer sig bedre end silicium ved at konvertere solenergi til elektricitet, levere mere energi under høje varme- eller lavlysforhold, to af de almindelige forhold, som solceller udholder, hvor der er ændringer i lysniveauer og temperatur.

Nogle af disse solceller bruges i solcelledrevne biler, rumkøretøjer og satellitter.

GaAs solceller på en lille satellit. United States Naval Academy / Public domain. Kilde: Wikimedia Commons.

Fordele ved GaA'er til denne applikation

Det er modstandsdygtigt over for fugtighed og ultraviolet stråling, hvilket gør det mere holdbart mod miljøforhold og gør det muligt at bruge det i rumfartsapplikationer.

Den har en lav temperaturskoefficient, så den mister ikke effektiviteten ved høje temperaturer og modstår høje akkumulerede stråledoser. Strålingsskader kan fjernes ved temperering på kun 200 ° C.

Den har en høj absorptionskoefficient af fotoner af lys, så den har en høj ydelse i svagt lys, det vil sige, den mister meget lidt energi, når der er dårlig belysning fra solen.

GaAs solceller er effektive selv i svagt lys. Forfatter: Arek Socha. Kilde: Pixabay.

Det producerer mere energi pr. Enhed end nogen anden teknologi. Dette er vigtigt, når du har et lille område såsom fly, køretøjer eller små satellitter.

Det er et fleksibelt og lavt vægtmateriale, der er effektivt, selv når det påføres i meget tynde lag, hvilket gør solcellen meget lys, fleksibel og effektiv.

Solceller til rumkøretøjer

Rumprogrammer har brugt GaAs solceller i mere end 25 år.

Kombinationen af ​​GaA'er med andre forbindelser af germanium, indium og fosfor har gjort det muligt at opnå meget høj effektivitet solceller, der bruges i køretøjer, der udforsker overfladen af ​​planeten Mars.

Kunstnerens version af Curiosity rover på Mars. Denne enhed har solceller fra GaA'er. NASA / JPL-Caltech / Public domain. Kilde: Wikimedia Commons.

Ulempe ved GaA'er

Det er et meget dyrt materiale sammenlignet med silicium, som har været den største barriere for dets praktiske implementering i jordbaserede solceller.

Imidlertid studeres metoder til anvendelse i ekstremt tynde lag, hvilket vil reducere omkostningerne.

Brug i elektroniske enheder

GaAs har flere anvendelser i forskellige elektroniske enheder.

I transistorer

Transistorer er elementer, der tjener til at forstærke elektriske signaler og åbne eller lukke kredsløb, blandt andre anvendelser.

Brugt i transistorer har GaAs en højere elektronisk mobilitet og en højere resistivitet end silicium, så det tolererer betingelser med højere energi og højere frekvens, hvilket genererer mindre støj.

GaAs transistor bruges til at forstærke effekten. Epop / CC0. Kilde: Wikimedia Commons.

På GPS

I 1980'erne muliggjorde brugen af ​​denne forbindelse miniaturisering af Global Positioning System eller GPS (Global Positioning System) modtagere.

Dette system gør det muligt at bestemme placeringen af ​​et objekt eller en person på hele planeten med en nøjagtighed af centimeter.

Galliumarsenid bruges i GPS-systemer. Forfatter: Foundry Co. Kilde: Pixabay.

I optoelektroniske enheder

GaAs-film opnået ved relativt lave temperaturer har fremragende optoelektroniske egenskaber, såsom høj modstand (kræver høj energi for at blive en leder) og hurtig elektronoverførsel.

Dets direkte energigap gør det velegnet til brug i denne type enhed. De er enheder, der omdanner elektrisk energi til strålingsenergi eller vice versa, såsom LED-lys, lasere, detektorer, lysemitterende dioder osv.

LED lommelygte. Kan indeholde galliumarsenid. Forfatter: Hebi B. Kilde: Pixabay.

I speciel stråling

Egenskaberne ved denne forbindelse har anmodet om dens anvendelse til at generere stråling med frekvenser af terahertz, som er stråling, der kan trænge gennem alle typer materialer undtagen metaller og vand.

Terahertz-stråling, fordi den er ikke-ioniserende, kan anvendes til opnåelse af medicinske billeder, da det ikke skader kroppens væv eller forårsager ændringer i DNA som røntgenstråler.

Disse udstrålinger vil også gøre det muligt at registrere skjulte våben i mennesker og bagage, kan bruges i spektroskopiske analysemetoder inden for kemi og biokemi og kunne hjælpe med at afdække skjulte kunstværker i meget gamle bygninger.

Potentiel medicinsk behandling

Det er vist, at en type GaAs-laser er nyttig til at forstærke regenereringen af ​​muskelmasse, der er beskadiget af en type slangegift hos mus. Imidlertid kræves undersøgelser for at bestemme dens effektivitet hos mennesker.

Forskellige hold

Det bruges som halvleder i magnetoresistensudstyr, termistorer, kondensatorer, fotoelektronisk fiberoptisk dataoverførsel, mikrobølger, integrerede kredsløb, der bruges i enheder til satellitkommunikation, radarsystemer, smartphones (4G-teknologi) og tablets.

Elektroniske kredsløb i smartphones kan indeholde GaA'er. Forfatter: Arek Socha. Kilde: Pixabay.

Risici

Det er en meget giftig forbindelse. Langvarig eller gentagen eksponering for dette materiale forårsager skade på kroppen.

Symptomer på eksponering kan omfatte hypotension, hjertesvigt, anfald, hypotermi, lammelse, åndedrætsødem, cyanose, levercirrhose, nyreskade, hæmaturi og leukopeni blandt mange andre.

Det kan forårsage kræft og ødelægge fertiliteten. Det er giftigt og kræftfremkaldende også for dyr.

Farligt affald

Den stigende brug af GaA'er i elektronisk udstyr har rejst bekymring for dette materiales skæbne i miljøet og dets potentielle risici for folkesundheden og miljøet.

Der er en latent risiko for frigivelse af arsen (giftigt og giftigt element), når GaAs-holdige apparater bortskaffes i deponeringsanlæg til kommunalt fast affald.

Undersøgelser viser, at pH- og redoxforhold på deponeringsanlæg er vigtige for GaAs korrosion og frigivelse af arsen. Ved pH 7,6 og under en normal oxygenatmosfære kan der op til 15% af denne giftige metalloid frigives.

Elektronisk udstyr bør ikke bortskaffes på deponeringsanlæg, da GaA'er kan frigive den giftige arsen. Forfatter: INESby. Kilde: Pixabay.

Referencer

1. US National Library of Medicine. (2019). Galliumarsenid. Gendannes fra pubchem.ncbi.nlm.nih.gov.
2. Choudhury, SA et al. (2019). Metal nanostrukturer til solceller. I nanomaterialer til solcelleanvendelser. Gendannes fra sciencedirect.com.
3. Ramos-Ruiz, A. et al. (2018). Galliumarsenid (GaAs) nedsivningsmønstret og overfladekemien ændringer som reaktion på pH og O ₂. Affaldshåndtering 77 (2018) 1-9. Gendannes fra sciencedirect.com.
4. Schlesinger, TE (2001). Gallium Arsenide. In Encyclopedia of Materials: Science and Technology. Gendannes fra sciencedirect.com.
5. Mylvaganam, K. et al. (2015). Hårdt tynde film. GaAs film. Egenskaber og produktion. I Anti-Abrasive Nanocoatings. Gendannes fra sciencedirect.com.
6. Lide, DR (redaktør) (2003). CRC-håndbog om kemi og fysik. 85 ^th CRC Press.
7. Elinoff, G. (2019). Gallium Arsenide: En anden spiller inden for halvlederteknologi. Gendannes fra allaboutcircuits.com.
8. Silva, LH et al. (2012). GaAs 904-nm laserbestråling forbedrer myofiber masseudvinding under regenerering af knoglemuskler, der tidligere er blevet beskadiget af crotoxin. Lasers Med Sci 27, 993-1000 (2012). Gendannes fra link.springer.com.
9. Lee, S.-M. et al. (2015). Højtydende Ultrathin GaAs solceller aktiveret med heterogent integrerede dielektriske periodiske nanostrukturer. ACS Nano. 2015 27. oktober; 9 (10): 10356-65. Gendannes fra ncbi.nlm.nih.gov.
10. Tanaka, A. (2004). Toksicitet af indiumarsenid, galliumarsenid og aluminium galliumarsenid. Toxicol Appl Pharmacol. 2004 1. august; 198 (3): 405-11. Gendannes fra ncbi.nlm.nih.gov.