Metal Perfil: galio

El galio es un metal menor corrosivo, de color plateado, que se funde cerca de la temperatura ambiente y se usa con mayor frecuencia en la producción de compuestos semiconductores.

Propiedades:

• Símbolo atómico: Ga
• Número atómico: 31
• Categoría del elemento: metal posterior a la transición
• Densidad: 5. 91 g / cm³ (a 73 ° F / 23 ° C)
• Punto de fusión: 85. 58 ° F (29.76 ° C)
• Punto de ebullición: 3999 ° F (2204 ° C)
• Dureza de Moh: 1. 5

Características:

El galio puro es de color blanco plateado y se funde a temperaturas inferiores a los 85 ° F (29. 4 ° C).

El metal permanece en un estado fundido de hasta casi 4.000 ° F (2204 ° C), lo que le otorga la mayor gama de líquidos de todos los elementos metálicos.

El galio es uno de los pocos metales que se expande a medida que se enfría, aumentando su volumen en poco más del 3%.

A pesar de que el galio se alea fácilmente con otros metales, es corrosivo y se difunde en la red cristalina y debilita la mayoría de los metales. Su bajo punto de fusión, sin embargo, lo hace útil en ciertas aleaciones de bajo punto de fusión.

A diferencia del mercurio, que también es líquido a temperatura ambiente, el galio humedece la piel y el vidrio, por lo que es más difícil de manejar. Sin embargo, el galio no es tan tóxico como el mercurio.

Historia:

Descubierto en 1875 por Paul-Emile Lecoq de Boisbaudran mientras examinaba los minerales de esfalerita, el galio no se usó en ninguna aplicación comercial hasta la última parte del siglo XX.

El galio es de poca utilidad como metal estructural, pero su valor en muchos dispositivos electrónicos modernos no puede subestimarse.

Los usos comerciales del galio se desarrollaron a partir de la investigación inicial sobre diodos emisores de luz (LED) y tecnología de semiconductores de radiofrecuencia (RF) III-V, que comenzó a principios de la década de 1950.

En 1962, la investigación del físico de IBM J. B. Gunn sobre el arseniuro de galio (GaAs) condujo al descubrimiento de la oscilación de alta frecuencia de la corriente eléctrica que fluye a través de ciertos sólidos semiconductores, ahora conocido como el 'Efecto Gunn'.

Este avance allanó el camino para que los primeros detectores militares se construyeran usando diodos Gunn (también conocidos como dispositivos electrónicos de transferencia) que desde entonces se han utilizado en diversos dispositivos automáticos, desde detectores de radar y controladores de señales hasta detectores de humedad y detectores de robo. .

Los primeros LED y láseres basados ​​en GaAs fueron producidos a principios de la década de 1960 por investigadores de RCA, GE e IBM.

Inicialmente, los LED solo podían producir ondas de luz infrarroja invisibles, limitando las luces al sensor y aplicaciones fotoelectrónicas. Pero su potencial como fuentes de luz compactas eficientes en energía era evidente.

A principios de la década de 1960, Texas Instruments comenzó a ofrecer LEDs comercialmente. En la década de 1970, los primeros sistemas de visualización digital, utilizados en relojes y calculadoras, pronto se desarrollaron utilizando sistemas de retroiluminación LED.

La investigación adicional en los años 1970 y 1980 dio como resultado técnicas de deposición más eficientes, haciendo que la tecnología LED sea más confiable y rentable. El desarrollo de compuestos semiconductores de galio-aluminio-arsénico (GaAlAs) dio como resultado LEDs diez veces más brillantes que los anteriores, mientras que el espectro de color disponible para los LED también avanzó en base a nuevos sustratos semiconductores que contienen galio, como el indio. nitruro de galio (InGaN), fosfuro de arseniuro de galio (GaAsP) y fosfuro de galio (GaP).

A fines de la década de 1960, las propiedades conductivas de GaA también se estaban investigando como parte de las fuentes de energía solar para la exploración espacial. En 1970, un equipo de investigación soviético creó las primeras células solares de heteroestructura de GaAs.

Crítica para la fabricación de dispositivos optoelectrónicos y circuitos integrados (IC), la demanda de obleas GaAs se disparó a finales de la década de 1990 y principios del siglo XXI en correlación con el desarrollo de la comunicación móvil y las tecnologías de energía alternativa.

No es sorprendente que, en respuesta a esta creciente demanda, entre 2000 y 2011 la producción mundial primaria de galio sea más del doble, de aproximadamente 100 toneladas métricas (MT) por año a más de 300MT.

Producción:

El contenido promedio de galio en la corteza terrestre se estima en alrededor de 15 partes por millón, aproximadamente similar al litio y más común que el plomo.

El metal, sin embargo, está ampliamente disperso y presente en pocos cuerpos de mineral económicamente extraíbles.

Hasta el 90% de todo el galio primario producido actualmente se extrae de la bauxita durante el refinado de alúmina (Al2O3), un precursor del aluminio. Una pequeña cantidad de galio se produce como un subproducto de la extracción de zinc durante el refinado del mineral de esfalerita.

Durante el proceso Bayer de refinación de mineral de aluminio a alúmina, el mineral triturado se lava con una solución caliente de hidróxido de sodio (NaOH). Esto convierte la alúmina en aluminato de sodio, que se deposita en tanques, mientras que el licor de hidróxido de sodio que ahora contiene galio se recoge para su reutilización.

Debido a que este licor se recicla, el contenido de galio aumenta después de cada ciclo hasta que alcanza un nivel de aproximadamente 100-125 ppm. La mezcla se puede tomar y concentrar como galato mediante extracción con disolvente utilizando agentes quelantes orgánicos.

En un baño electrolítico a temperaturas de 104-140 ° F (40-60 ° C), el galleato de sodio se convierte en galio impuro. Después de lavar en ácido, esto puede luego filtrarse a través de placas de vidrio o cerámica porosas para crear 99. 9-99. 99% de metal de galio.

99. El 99% es el grado precursor estándar para las aplicaciones de GaAs, pero los nuevos usos requieren mayores purezas que se pueden lograr calentando el metal al vacío para eliminar los elementos volátiles o la purificación electroquímica y los métodos de cristalización fraccionada.

En la última década, gran parte de la producción primaria de galio del mundo se ha trasladado a China, que ahora suministra alrededor del 70% del galio del mundo. Otras naciones productoras primarias incluyen Ucrania y Kazajstán.

Alrededor del 30% de la producción anual de galio se extrae de chatarra y materiales reciclables como las obleas IC que contienen GaAs.La mayor parte del reciclaje de galio ocurre en Japón, América del Norte y Europa.

El Servicio Geológico de EE. UU. Estima que 310MT de galio refinado se produjeron en 2011.

Los mayores productores mundiales incluyen Zhuhai Fangyuan, Beijing Jiya Semiconductor Materials y Recapture Metals Ltd.

Aplicaciones:

Cuando se alea el galio tiende a corroer o hacer que los metales como el acero se vuelvan frágiles. Este rasgo, junto con su temperatura de fusión extremadamente baja, significa que el galio es de poca utilidad en aplicaciones estructurales.

En su forma metálica, el galio se usa en soldaduras y aleaciones de bajo punto de fusión, como Galinstan®, pero se encuentra con mayor frecuencia en materiales semiconductores.

Las principales aplicaciones de Gallium se pueden clasificar en 5 grupos:

1. Semiconductores: Contabilizando alrededor del 70% del consumo anual de galio, las obleas GaAs son la espina dorsal de muchos dispositivos electrónicos modernos, como teléfonos inteligentes y otros dispositivos de comunicación inalámbrica que dependen del ahorro de energía y la capacidad de amplificación de los CI de GaAs.

2. Diodos emisores de luz (LED): desde 2010, la demanda mundial de galio del sector LED se ha duplicado, según los informes, debido al uso de LED de alto brillo en pantallas móviles y de pantalla plana. El movimiento global hacia una mayor eficiencia energética también ha llevado al apoyo del gobierno para el uso de iluminación LED sobre iluminación fluorescente compacta e incandescente.

3. Energía solar: el uso de galio en aplicaciones de energía solar se centra en dos tecnologías:

• Celdas solares concentradoras GaAs
• Celdas solares de película fina de cadmio e indio-galio-seleniuro (CIGS)

Como células fotovoltaicas altamente eficientes, ambas tecnologías han tenido éxito en aplicaciones especializadas, particularmente relacionadas con la industria aeroespacial y militar, pero todavía enfrentan barreras para el uso comercial a gran escala.

4. Materiales magnéticos: los imanes permanentes de alta resistencia son un componente clave de computadoras, automóviles híbridos, turbinas eólicas y otros equipos electrónicos y automáticos. Pequeñas adiciones de galio se utilizan en algunos imanes permanentes, incluidos los imanes de neodimio-hierro-boro (NdFeB).

5. Otras aplicaciones:

• Aleaciones especiales y soldaduras
• Espejos húmedos
• Con plutonio como estabilizador nuclear
• Aleación de memoria de forma de níquel-manganeso-galio
• Catalizador de petróleo
• Aplicaciones biomédicas, incluidos productos farmacéuticos (galio nitrato)
• Fósforos
• Detección de neutrinos

_Fuentes:

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_{Barratt, Curtis A. "III-V Semiconductors, una historia en aplicaciones de RF". ECS Trans . 2009, Volumen 19, Número 3, Páginas 79-84.}

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