GALIJEV ARSENID: STRUKTURA, SVOJSTVA, UPOTREBA, RIZICI - KEMIJA - 2025

Galijevog arsenida anorganskog spoja koja se sastoji od atoma galij elementa (Ga) i arsena (As) atoma. Njegova kemijska formula je GaAs. To je tamno siva krutina koja može imati plavo-zeleni metalni sjaj.

Nanostrukture ovog spoja dobivene su s potencijalom za različite primjene u mnogim poljima elektronike. Pripada grupi materijala nazvanih spojevi III-V zbog položaja njegovih elemenata u kemijskoj periodnoj tablici.

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

To je poluvodički materijal, što znači da može provoditi električnu energiju samo pod određenim uvjetima. Široko se koristi u elektroničkim uređajima, kao što su tranzistori, GPS, LED svjetla, laseri, tableti i pametni telefoni.

Ima karakteristike koje mu omogućavaju da lako apsorbira svjetlost i pretvara je u električnu energiju. Iz tog razloga se koristi u solarnim ćelijama satelita i svemirskim vozilima.

Omogućuje stvaranje zračenja koje prodire kroz različite materijale, ali i u žive organizme, a da ih pritom ne ošteti. Ispitivana je upotreba tipa GaAs lasera koji obnavlja mišićnu masu oštećenu zmijskim otrovima.

Međutim, toksičan je spoj i može izazvati rak kod ljudi i životinja. Elektronička oprema koja se odlaže na deponije može otpustiti opasan arsen i biti štetna za zdravlje ljudi, životinja i okoliša.

Struktura

Galijev arsenid ima omjer 1: 1 između elementa grupe III periodičke tablice i elementa skupine V, zbog čega se naziva spoj III-V.

Smatra se intermetalnom krutinom koja se sastoji od arsena (As) i galija (Ga) s oksidacijskim stanjima u rasponu od Ga ⁽⁰⁾ As ⁽⁰⁾ do Ga ⁽⁺³⁾ As ^(-3).

Kristal galijev arsenid. W. Oelen / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0). Izvor: Wikimedia Commons.

Nomenklatura

• Galijev arsenid
• Galijev monoarsenid

Svojstva

Psihičko stanje

Tamno siva kristalna krutina sa plavo-zelenim metalnim sjajem ili sivim prahom. Njegovi kristali su kubični.

GaAs kristali. Lijevo: polirana strana. Desno: gruba strana. Materialscientist s engleske Wikipedije / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0). Izvor: Wikimedia Commons.

Molekularna težina

144,64 g / mol

Talište

1238 ºC

Gustoća

5,3176 g / cm ³ pri 25 ° C.

Topljivost

U vodi: manje od 1 mg / ml pri 20 ° C.

Kemijska svojstva

Ima hidrat koji može tvoriti kisele soli. Stabilna je na suhom zraku. U vlažnom zraku potamni.

Može reagirati s parom, kiselinama i kiselinama te emitira otrovni plin koji se naziva arzin, arzan ili arsenov hidrid (AsH ₃). Reagira s bazama koje emitiraju vodikov plin.

Napadaju ga koncentrirana klorovodična kiselina i halogeni. Kad se topi, napada kvarc. Ako se navlaži, odaje miris češnjaka, a ako se zagrijava do razgradnje, emitira visoko toksične plinove arsena.

Ostala fizička svojstva

To je poluvodički materijal, što znači da se može ponašati kao provodnik električne energije ili kao izolator, ovisno o uvjetima kojima je podvrgnut, poput električnog polja, tlaka, temperature ili zračenja koje prima.

Jaz između elektroničkih bendova

Ima energetski razmak širine od 1.424 eV (elektronski volti). Širina energetskog jaza, zabranjeni zavoj ili pojas je razmak između elektronskih ljuski atoma.

Što je širi energetski jaz, to je veća energija potrebna od strane elektrona da "skoče" na sljedeću ljusku i prouzroče promjenu poluvodiča u provodno stanje.

GaAs ima širi energetski jaz od silicijuma, što ga čini vrlo otpornim na zračenje. To je i izravna širina jaza, tako da može emitirati svjetlost učinkovitije od silicija, čija je širina jaza neizravna.

dobivanje

On se može dobiti propuštanjem plinovite smjese vodika (H ₂) i arsena preko galija (III) oksid (Ga ₂ O ₃), na 600 ° C

Također se mogu pripraviti reakcijom između galij (III) klorida (GaCl ₃) i arsena oksida (kao ₂ O ₃), na 800 ° C

Koristite u solarnim ćelijama

Galijev arsenid koristi se u solarnim ćelijama od 1970-ih, jer ima izvanredne fotonaponske karakteristike koje mu daju prednost u odnosu na druge materijale.

On djeluje bolje od silicija u pretvaranju solarne energije u električnu energiju, isporučuje više energije u uvjetima visoke topline ili slabog svjetla, dva su uobičajena stanja koja izdržavaju solarne ćelije, gdje postoje promjene u razini osvjetljenja i temperature.

Neki od ovih solarnih ćelija koriste se u automobilima na solarni pogon, u svemirskim vozilima i satelitima.

GaAs solarne ćelije na malom satelitu. Pomorska akademija Sjedinjenih Država / Javno vlasništvo. Izvor: Wikimedia Commons.

Prednosti GaA-ova za ovu aplikaciju

Otporan je na vlagu i ultraljubičasto zračenje, što ga čini izdržljivijim protiv uvjeta okoliša i omogućava njegovu upotrebu u zrakoplovnim primjenama.

Ima nizak temperaturni koeficijent, tako da pri visokim temperaturama ne gubi učinkovitost i odolijeva visokim akumuliranim dozama zračenja. Oštećenja od zračenja mogu se ukloniti kaljenjem na samo 200 ° C.

Ima visoki koeficijent apsorpcije fotona svjetlosti, pa ima visoku učinkovitost pri slabom svjetlu, odnosno gubi vrlo malo energije kada je loše osvjetljenje od sunca.

GaAs solarne ćelije su učinkovite čak i pri slabom svjetlu. Autor: Arek Socha. Izvor: Pixabay.

Proizvodi više energije po jedinici površine nego bilo koja druga tehnologija. To je važno kada imate malo područje poput zrakoplova, vozila ili malih satelita.

To je fleksibilan materijal male težine, a učinkovit je čak i kada se nanosi u vrlo tankim slojevima, što solarnu ćeliju čini vrlo laganom, fleksibilnom i učinkovitom.

Solarne ćelije za svemirska vozila

Svemirski programi koriste solarne ćelije GaAs više od 25 godina.

Kombinacija GaAs s drugim spojevima germanija, indija i fosfora omogućila je dobivanje visoko učinkovitih solarnih ćelija koje se koriste u vozilima koja istražuju površinu planeta Mars.

Umjetnička verzija rovera Curiosity na Marsu. Ovaj uređaj ima solarne ćelije GaAs. NASA / JPL-Caltech / Javna domena. Izvor: Wikimedia Commons.

Nedostatak GaA-a

To je vrlo skup materijal u odnosu na silicij, koji je bio glavna prepreka njegovoj praktičnoj primjeni u zemaljskim solarnim ćelijama.

Međutim, proučavaju se metode njihove uporabe u izrazito tankim slojevima, što će smanjiti troškove.

Koristite u elektroničkim uređajima

GaAs ima višestruku upotrebu u raznim elektroničkim uređajima.

U tranzistorima

Tranzistori su elementi koji služe za pojačavanje električnih signala i otvaranje ili zatvaranje krugova, između ostalih namjena.

Koristi se u tranzistorima, GaAs ima veću elektroničku pokretljivost i veće otpornost od silicija, pa podnosi uvjete veće energije i veće frekvencije, stvarajući manje buke.

GaAs tranzistor koji se koristi za pojačavanje snage. Epop / CC0. Izvor: Wikimedia Commons.

Na GPS-u

U osamdesetim godinama upotreba ovog spoja omogućila je minijaturizaciju prijemnika Global Positioning System ili GPS (Global Positioning System).

Ovaj sustav omogućuje utvrđivanje položaja predmeta ili osobe na cijelom planetu s točnošću u centimetrima.

Galijev arsenid koristi se u GPS sustavima. Autor: Foundry Co. Izvor: Pixabay.

U optoelektronskim uređajima

Filteri GaAs dobiveni na relativno niskim temperaturama imaju izvrsna optoelektronička svojstva, poput visokog otpora (potrebna je velika energija da bi postao provodnik) i brz prijenos elektrona.

Njegov izravni energetski jaz čini ga prikladnim za upotrebu u ovoj vrsti uređaja. Riječ je o uređajima koji električnu energiju pretvaraju u zračeću energiju ili obrnuto, poput LED svjetiljki, lasera, detektora, svjetlosnih dioda itd.

LED svjetiljka. Može sadržavati galijev arsenid. Autor: Hebi B. Izvor: Pixabay.

U posebnom zračenju

Svojstva ovog spoja potaknula su njegovu upotrebu za stvaranje zračenja s frekvencijama teraherca, koji su zračenje koje može prodrijeti u sve vrste materijala osim metala i vode.

Terahertz zračenje, jer nije jonizujuće, može se primijeniti u dobivanju medicinskih slika, jer ne oštećuje tkiva u tijelu niti uzrokuje promjene u DNK poput X-zraka.

Ova zračenja također bi omogućila otkrivanje skrivenog oružja kod ljudi i prtljaga, mogu se koristiti u metodama spektroskopske analize u kemiji i biokemiji, a mogla bi pomoći i u otkrivanju skrivenih umjetničkih djela u vrlo starim zgradama.

Potencijalni medicinski tretman

Pokazalo se da je tip GaAs lasera koristan u povećanju regeneracije mišićne mase oštećene tipom zmijskog otrova u miševa. Međutim, potrebne su studije da bi se utvrdila njegova učinkovitost u ljudi.

Razne ekipe

Koristi se kao poluvodič u uređajima za otpornost na magnetnu otpornost, termistorima, kondenzatorima, fotoelektroničkom optičkom prijenosu podataka, mikrovalnim pećnicama, integriranim krugovima koji se koriste u uređajima za satelitsku komunikaciju, radarskim sustavima, pametnim telefonima (4G tehnologija) i tabletima.

Elektronski sklopovi u pametnim telefonima mogu sadržavati GaA. Autor: Arek Socha. Izvor: Pixabay.

rizici

To je vrlo toksičan spoj. Produljeno ili opetovano izlaganje ovom materijalu oštećuje tijelo.

Simptomi izloženosti mogu uključivati ​​hipotenziju, zatajenje srca, napadaje, hipotermiju, paralizu, respiratorni edem, cijanozu, cirozu jetre, oštećenje bubrega, hematuriju i leukopeniju, među mnogim drugima.

Može uzrokovati rak i oštetiti plodnost. Toksičan je i kancerogen također za životinje.

Opasni otpad

Sve veća upotreba GaA-ova u elektroničkim uređajima izazvala je zabrinutost u pogledu sudbine ovog materijala u okolišu i njegovih potencijalnih rizika za zdravlje ljudi i okoliša.

Postoji latentni rizik od ispuštanja arsena (toksičnih i otrovnih elemenata) kada se uređaji koji sadrže GaAs odlažu na deponije čvrstog komunalnog otpada.

Studije pokazuju da su pH i redoks uvjeti na odlagalištima važni za koroziju GaAs i oslobađanje arsena. Pri pH 7,6 i u normalnoj atmosferi kisika može se osloboditi do 15% ovog toksičnog metaloida.

Elektroničku opremu ne treba odlagati na deponije jer GaAs može otpustiti toksični arsen. Autor: INESby. Izvor: Pixabay.

Reference

1. Američka nacionalna medicinska knjižnica. (2019). Galijev arsenid. Oporavak od pubchem.ncbi.nlm.nih.gov.
2. Choudhury, SA i sur. (2019). Metalne nanostrukture za solarne ćelije. U Nanomaterijalima za solarne aplikacije. Oporavljeno od sciencedirect.com.
3. Ramos-Ruiz, A. i sur. (2018.). Galijevog arsenida (GaAs) ispiranja i površinski promjena kemije kao odgovor na pH i O ₂. Gospodarenje otpadom 77 (2018) 1-9. Oporavljeno od sciencedirect.com.
4. Schlesinger, TE (2001). Galijev arsenid. U Enciklopediji materijala: Znanost i tehnologija. Oporavljeno od sciencedirect.com.
5. Mylvaganam, K. i sur. (2015). Tvrdi tanki filmovi. GaAs film. Svojstva i proizvodnja. U antiabrazivnim nano premazima. Oporavljeno od sciencedirect.com.
6. Lide, DR (urednik) (2003). CRC Priručnik za kemiju i fiziku. 85 ^-og CRC Press.
7. Elinoff, G. (2019). Galijev arsenid: još jedan igrač u tehnologiji poluvodiča. Oporavilo s allaboutcircuits.com.
8. Silva, LH i sur. (2012). GaAs 904-nm lasersko zračenje poboljšava oporavak mase miofibre tijekom regeneracije koštanog mišića koji je prethodno oštećen krotoksinom. Laseri Med Sci 27, 993-1000 (2012). Oporavak s linka.springer.com.
9. Lee, S.-M. i sur. (2015). Solarne ćelije visokih performansi omogućene sa heterogeno integriranom dielektričnom periodičnom nanostrukturom. ACS Nano. 2015. 27. listopada; 9 (10): 10356-65. Oporavak od ncbi.nlm.nih.gov.
10. Tanaka, A. (2004). Toksičnost indijevog arsenida, galijevog arsenida i arsenida aluminijevog galija. Toxicol Appl Pharmacol. 2004. kolovoz 1; 198 (3): 405-11. Oporavak od ncbi.nlm.nih.gov.