GALLIUMARSENID: STRUKTUR, EGENSKAPER, BRUK, RISIKO - KJEMI - 2025

Den galliumarsenid en uorganisk forbindelse som består av gallium-atomet element (Ga) og arsen atom (As). Den kjemiske formelen er GaAs. Det er et mørkegrått fast stoff som kan ha en blågrønn metallisk glans.

Nanostrukturer av denne forbindelsen er oppnådd med potensial for forskjellige bruksområder innen mange elektroniske felt. Det tilhører en gruppe materialer som kalles forbindelser III-V på grunn av plasseringen av dens elementer i den kjemiske periodiske tabellen.

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

Det er et halvledermateriale, noe som betyr at det bare kan lede strøm under visse forhold. Det er mye brukt i elektroniske enheter, for eksempel transistorer, GPS, LED-lys, lasere, nettbrett og smarttelefoner.

Den har egenskaper som gjør at den lett kan absorbere lys og konvertere det til elektrisk energi. Av denne grunn brukes den i solceller fra satellitter og romkjøretøyer.

Det tillater generering av stråling som trenger inn i forskjellige materialer og også levende organismer, uten å forårsake skade på dem. Bruken av en type GaAs-laser som regenererer muskelmasse skadet av slangegift har blitt studert.

Imidlertid er det en giftig forbindelse og kan forårsake kreft hos mennesker og dyr. Elektronisk utstyr som kastes i søppelfyllinger kan frigjøre farlig arsen og være skadelig for helsen til mennesker, dyr og miljøet.

Struktur

Galliumarsenid har et forhold på 1: 1 mellom et element i gruppe III i det periodiske systemet og et element i gruppe V, og det er derfor det kalles forbindelse III-V.

Det anses å være et intermetallisk fast stoff sammensatt av arsen (As) og gallium (Ga) med oksidasjonstilstander som spenner fra Ga ⁽⁰⁾ As ⁽⁰⁾ til Ga ⁽⁺³⁾ As ^(-3) .

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

nomenklatur

• Galliumarsenid
• Gallium monoarsenide

Egenskaper

Fysisk tilstand

Mørkegrå krystallinsk fast stoff med blågrønn metallisk glans eller grått pulver. Krystallene er kubiske.

GaAs krystaller. Venstre: polert side. Til høyre: grov side. Materialscientist hos engelsk Wikipedia / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0). Kilde: Wikimedia Commons.

Molekylær vekt

144,64 g / mol

Smeltepunkt

1238 ºC

tetthet

5,3176 g / cm ³ ved 25 ° C.

løselighet

I vann: mindre enn 1 mg / ml ved 20 ° C.

Kjemiske egenskaper

Den har et hydrat som kan danne sure salter. Det er stabilt i tørr luft. I fuktig luft mørkner det.

Den kan reagere med damp, syrer og sure gasser, og avgir den giftige gassen kalt arsin, arsan eller arsenhydrid (AsH ₃ ). Reagerer med baser som avgir hydrogengass.

Den angripes av konsentrert saltsyre og av halogener. Når den smeltes, angriper den kvartset. Hvis det blir vått, avgir det en hvitløkslukt, og hvis den blir oppvarmet til spaltning, avgir den svært giftige arsenegasser.

Andre fysiske egenskaper

Det er et halvledermateriale som betyr at det kan oppføre seg som en leder av elektrisitet eller som en isolator avhengig av forholdene det blir utsatt for, for eksempel det elektriske feltet, trykk, temperatur eller stråling den mottar.

Gap mellom elektroniske bånd

Den har en energigapbredde på 1424 eV (elektronvolt). Bredden på energigapet, forbudt bånd eller båndhull er mellomrommet mellom elektronskallene til et atom.

Jo bredere energigapet er, desto større energi kreves det av elektronene for å "hoppe" til neste skall og få halvlederen til å skifte til en ledende tilstand.

GaAs har et større energigap enn silisium, og dette gjør det svært motstandsdyktig mot stråling. Det er også en direkte gapbredde, slik at den kan avgi lys mer effektivt enn silisium, hvis gapbredde er indirekte.

Å skaffe

Det kan oppnås ved å føre en gassblanding av hydrogen (H ₂ ) og arsen i løpet av gallium (III) oksyd (Ga ₂ O ₃ ) ved 600 ° C.

Det kan også fremstilles ved reaksjon mellom gallium (III) klorid (GaCl ₃ ) og arsen oksyd (As ₂ O ₃ ) ved 800 ° C.

Bruk i solceller

Galliumarsenid har blitt brukt i solceller siden 1970-tallet, siden det har enestående fotovoltaiske egenskaper som gir det en fordel i forhold til andre materialer.

Den klarer seg bedre enn silisium i å konvertere solenergi til elektrisitet, levere mer energi under høye varme- eller lite lysforhold, to av de vanlige forholdene som solceller tåler, der det er endringer i lysnivå og temperatur.

Noen av disse solcellene brukes i solenergidrevne biler, romkjøretøyer og satellitter.

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

Fordeler med GaAs for denne applikasjonen

Den er motstandsdyktig mot fuktighet og ultrafiolett stråling, noe som gjør den mer holdbar mot miljøforhold og gjør at den kan brukes i romfartsapplikasjoner.

Den har en lav temperaturkoeffisient, så den mister ikke effektiviteten ved høye temperaturer og motstår høye akkumulerte stråledoser. Stråleskader kan fjernes ved herding ved bare 200 ° C.

Den har en høy absorpsjonskoeffisient for fotoner av lys, så den har en høy ytelse i lite lys, det vil si at den mister veldig lite energi når det er dårlig belysning fra solen.

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

Den produserer mer energi per enhetsareal enn noen annen teknologi. Dette er viktig når du har et lite område som fly, kjøretøy eller små satellitter.

Det er et fleksibelt og lite vektmateriale, og er effektivt selv om det brukes i veldig tynne lag, noe som gjør solcellen veldig lett, fleksibel og effektiv.

Solceller for romkjøretøyer

Romprogrammer har brukt GaAs solceller i mer enn 25 år.

Kombinasjonen av GaAer med andre forbindelser av germanium, indium og fosfor har gjort det mulig å oppnå meget høy effektivitet solceller som blir brukt i kjøretøy som utforsker overflaten til planeten Mars.

Kunstnerens versjon av Curiosity rover på Mars. Denne enheten har solceller fra GaAs. NASA / JPL-Caltech / Public domain. Kilde: Wikimedia Commons.

Ulempen med GaAs

Det er et veldig kostbart materiale sammenlignet med silisium, som har vært den viktigste barrieren for dens praktiske implementering i bakken solceller.

Imidlertid studeres metoder for bruk i ekstremt tynne lag, noe som vil redusere kostnadene.

Bruk i elektroniske enheter

GaAs har flere bruksområder i forskjellige elektroniske enheter.

I transistorer

Transistorer er elementer som tjener til å forsterke elektriske signaler og åpne eller lukke kretser, blant annet bruk.

Brukt i transistorer har GaAs høyere elektronisk mobilitet og høyere motstand enn silisium, så den tåler forhold med høyere energi og høyere frekvens, og genererer mindre støy.

GaAs transistor brukt til å forsterke effekten. Epop / CC0. Kilde: Wikimedia Commons.

På GPS

På 1980-tallet tillot bruk av denne forbindelsen miniatyriseringen av Global Positioning System eller GPS (Global Positioning System) mottakere.

Dette systemet gjør det mulig å bestemme posisjonen til en gjenstand eller person på hele planeten med en nøyaktighet på centimeter.

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

I optoelektroniske enheter

GaAs-filmer oppnådd ved relativt lave temperaturer har utmerkede optoelektroniske egenskaper, for eksempel høy resistivitet (krever høy energi for å bli en leder) og rask elektronoverføring.

Den direkte energiavstanden gjør den egnet for bruk i denne typen apparater. De er enheter som transformerer elektrisk energi til strålingsenergi eller omvendt, for eksempel LED-lys, lasere, detektorer, lysemitterende dioder, etc.

LED lommelykt. Kan inneholde galliumarsenid. Forfatter: Hebi B. Kilde: Pixabay.

I spesiell stråling

Egenskapene til denne forbindelsen har bedt om bruk for å generere stråling med frekvenser av terahertz, som er stråling som kan trenge gjennom alle typer materialer unntatt metaller og vann.

Terahertz-stråling, fordi den er ikke-ioniserende, kan brukes til å få medisinske bilder, siden den ikke skader kroppens vev eller forårsaker endringer i DNA som røntgenstråler.

Disse strålingene vil også gjøre det mulig å oppdage skjulte våpen i mennesker og bagasje, kan brukes i spektroskopiske analysemetoder innen kjemi og biokjemi, og kan bidra til å avdekke skjulte kunstverk i veldig gamle bygninger.

Potensiell medisinsk behandling

Det er vist at en type GaAs-laser er nyttig for å forbedre regenerering av muskelmasse skadet av en type slangegift hos mus. Imidlertid er det nødvendig med studier for å bestemme effektiviteten hos mennesker.

Ulike lag

Den brukes som halvleder i magnetoresistensenheter, termistorer, kondensatorer, fotoelektronisk fiberoptisk dataoverføring, mikrobølger, integrerte kretsløp som brukes i enheter for satellittkommunikasjon, radarsystemer, smarttelefoner (4G-teknologi) og nettbrett.

Elektroniske kretsløp i smarttelefoner kan inneholde GaAer. Forfatter: Arek Socha. Kilde: Pixabay.

risiko

Det er en svært giftig forbindelse. Langvarig eller gjentatt eksponering for dette materialet skader kroppen.

Symptomer på eksponering kan være hypotensjon, hjertesvikt, anfall, hypotermi, lammelse, luftveisødem, cyanose, levercirrhose, nyreskade, hematuri og leukopeni, blant mange andre.

Det kan forårsake kreft og skade fruktbarheten. Det er giftig og kreftfremkallende også for dyr.

Farlig avfall

Den økende bruken av GaAer på elektroniske enheter har vakt bekymring for skjebnen til dette materialet i miljøet og dets potensielle risikoer for folke- og miljøhelsen.

Det er en latent risiko for frigjøring av arsen (et giftig og giftig element) når enheter som inneholder GaAer kastes i kommunale avfallsdeponier.

Studier viser at pH- og redoksforhold på deponier er viktig for GaAs korrosjon og arsenfrigjøring. Ved pH 7,6 og under en normal oksygenatmosfære kan opp til 15% av dette giftige metalloid frigjøres.

Elektronisk utstyr skal ikke kastes på søppelfyllinger, da GaAer kan frigjøre den giftige arsen. Forfatter: INESby. Kilde: Pixabay.

referanser

1. US National Library of Medicine. (2019). Galliumarsenid. Gjenopprettet fra pubchem.ncbi.nlm.nih.gov.
2. Choudhury, SA et al. (2019). Metall nanostrukturer for solceller. I nanomaterialer for solcelleprogrammer. Gjenopprettet fra sciencedirect.com.
3. Ramos-Ruiz, A. et al. (2018). Galliumarsenid (GaAs) utvaskingsatferd og overflatekjemi endres som respons på pH og O ₂ . Waste Management 77 (2018) 1-9. Gjenopprettet fra sciencedirect.com.
4. Schlesinger, TE (2001). Gallium Arsenide. I Encyclopedia of Materials: Science and Technology. Gjenopprettet fra sciencedirect.com.
5. Mylvaganam, K. et al. (2015). Hardt tynne filmer. GaAs film. Egenskaper og produksjon. I Anti-Abrasive Nanocoatings. Gjenopprettet fra sciencedirect.com.
6. Lide, DR (redaktør) (2003). CRC Håndbok for kjemi og fysikk. 85 ^th CRC Press.
7. Elinoff, G. (2019). Gallium Arsenide: En annen spiller innen halvlederteknologi. Gjenopprettet fra allaboutcircuits.com.
8. Silva, LH et al. (2012). GaAs 904-nm laserbestråling forbedrer myofiber masseutvinning under regenerering av skjelettmuskulatur som tidligere er skadet av crotoxin. Lasers Med Sci 27, 993-1000 (2012). Gjenopprettet fra link.springer.com.
9. Lee, S.-M. et al. (2015). High Performance Ultrathin GaAs Solar Cells Aktivert med heterogene integrerte dielektriske periodiske nanostrukturer. ACS Nano. 2015 27. okt; 9 (10): 10356-65. Gjenopprettet fra ncbi.nlm.nih.gov.
10. Tanaka, A. (2004). Toksisitet av indiumarsenid, galliumarsenid og aluminium galliumarsenid. Toxicol Appl Pharmacol. 2004 1. august; 198 (3): 405-11. Gjenopprettet fra ncbi.nlm.nih.gov.