GALIO ARSENIDAS: STRUKTŪRA, SAVYBĖS, PANAUDOJIMAS, RIZIKA - CHEMIJA - 2025

Galio arsenidas neorganine junginio, susidedančios iš galio atomo elemento (Ga) ir arseno atomo (As). Jo cheminė formulė yra GaAs. Tai tamsiai pilka kieta medžiaga, galinti turėti melsvai žalią metalinį blizgesį.

Šio junginio nanostruktūros buvo gautos įvairioms reikmėms daugelyje elektronikos sričių. Jis priklauso medžiagų grupei, vadinamai III-V junginiais, dėl savo elementų išdėstymo cheminėje periodinėje lentelėje.

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

Tai yra puslaidininkinė medžiaga, tai reiškia, kad ji gali laidoti elektrą tik tam tikromis sąlygomis. Jis plačiai naudojamas elektroniniuose prietaisuose, tokiuose kaip tranzistoriai, GPS, LED lemputės, lazeriai, planšetiniai kompiuteriai ir išmanieji telefonai.

Jis pasižymi savybėmis, leidžiančiomis lengvai sugerti šviesą ir paversti ją elektros energija. Dėl šios priežasties jis naudojamas palydovų ir kosminių transporto priemonių saulės elementuose.

Tai leidžia generuoti radiaciją, prasiskverbiančią į įvairias medžiagas ir gyvus organizmus, nepažeidžiant jų. Ištirtas tokio tipo GaAs lazerio, kuris regeneruoja gyvatės nuodais pažeistą raumenų masę, panaudojimas.

Tačiau tai yra toksiškas junginys ir gali sukelti vėžį žmonėms ir gyvūnams. Sąvartynuose šalinama elektroninė įranga gali išleisti pavojingą arseną ir pakenkti žmonių, gyvūnų ir aplinkos sveikatai.

Struktūra

Galio arsenido santykis tarp periodinės lentelės III grupės elemento ir V grupės elemento yra 1: 1, todėl jis vadinamas III-V junginiu.

Tai laikoma tarpmetaline kietąja medžiaga, sudaryta iš arseno (As) ir galio (Ga), kurios oksidacijos būsenos svyruoja nuo Ga ⁽⁰⁾ As ⁽⁰⁾ iki Ga ⁽⁺³⁾ As ^(-3) .

Galio arsenido kristalas. W. Oelenas / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0). Šaltinis: „Wikimedia Commons“.

Nomenklatūra

• Galio arsenidas
• Galio monoarsenidas

Savybės

Fizinė būklė

Tamsiai pilka kristalinė kieta medžiaga su melsvai žalios spalvos metalo blizgesiu arba pilkais milteliais. Jos kristalai yra kubiniai.

GaAs kristalai. Kairė: šlifuota pusė. Dešinė: šiurkšti pusė. Anglų kalbos Vikipedijos / CC BY-SA medžiagotyras (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0). Šaltinis: „Wikimedia Commons“.

Molekulinė masė

144,64 g / mol

Lydymosi temperatūra

1238 ºC

Tankis

5,3176 g / cm ³ 25 ° C temperatūroje.

Tirpumas

Vandenyje: mažiau kaip 1 mg / ml 20 ° C temperatūroje.

Cheminės savybės

Jis turi hidratą, galintį sudaryti rūgščių druskas. Jis yra stabilus sausame ore. Drėgname ore jis tamsėja.

Jis gali reaguoti su garais, rūgštimis ir rūgštinėmis dujomis, išskirdamas nuodingas dujas, vadinamas arsinu, arsanu arba arseno hidridu (AsH ₃ ). Reaguoja su bazėmis, išskiriančiomis vandenilio dujas.

Jį puola koncentruota druskos rūgštis ir halogenai. Išlydytas jis puola kvarcą. Jei jis sušyla, išsiskiria česnako kvapas, o kaitinant iki skilimo, jis išskiria labai toksiškas arseno dujas.

Kitos fizinės savybės

Tai yra puslaidininkinė medžiaga, kuri reiškia, kad ji gali elgtis kaip elektros laidininkas arba kaip izoliatorius priklausomai nuo sąlygų, kurioms ji yra veikiama, pavyzdžiui, nuo gaunamo elektrinio lauko, slėgio, temperatūros ar radiacijos.

Tarpas tarp elektroninių juostų

Jo energijos tarpo plotis yra 1424 eV (elektronų voltų). Energijos tarpo, uždraustos juostos ar juostos tarpo plotis yra tarpas tarp atomo elektronų apvalkalų.

Kuo platesnis energijos atotrūkis, tuo didesnė energija, kurios reikia elektronams „peršokti“ į kitą apvalkalą ir priversti puslaidininkį pasikeisti į laidumo būseną.

GaAs turi didesnį energijos atotrūkį nei silicio, todėl jis labai atsparus radiacijai. Tai taip pat yra tiesioginis tarpo plotis, todėl jis gali skleisti šviesą efektyviau nei silicis, kurio tarpo plotis yra netiesioginis.

Gavimas

Jis gali būti gaunamas 600 ° C temperatūroje praleidžiant dujinį vandenilio (H ₂ ) ir arseno mišinį virš galio (III) oksido (Ga ₂ O ₃ ).

Jį taip pat galima paruošti reaguojant tarp galio (III) chlorido (GaCl ₃ ) ir arseno oksido (As ₂ O ₃ ) 800 ° C temperatūroje.

Naudojimas saulės elementuose

Galio arsenidas saulės baterijose buvo naudojamas nuo 1970 m., Nes jis pasižymi išskirtinėmis fotoelektrinėmis savybėmis, suteikiančiomis pranašumą prieš kitas medžiagas.

Paverčiant saulės energiją į elektrą, jos našumas yra geresnis nei silicio, todėl tiekiama daugiau energijos esant dideliam karščiui ar silpnam apšvietimui - tai yra dvi įprastos sąlygos, kurias išgyvena saulės elementai, kai keičiasi apšvietimas ir temperatūros lygis.

Kai kurie iš šių saulės elementų naudojami automobiliuose, naudojamuose saulės energija, kosminėse transporto priemonėse ir palydovuose.

„GaAs“ saulės elementai mažame palydove. Jungtinių Valstijų jūrų akademija / viešoji nuosavybė. Šaltinis: „Wikimedia Commons“.

GaAs pranašumai šiai programai

Jis yra atsparus drėgmei ir ultravioletiniams spinduliams, todėl jis yra patvaresnis aplinkos sąlygoms ir leidžia jį naudoti kosmose.

Jis turi žemą temperatūros koeficientą, todėl nepraranda efektyvumo esant aukštai temperatūrai ir atsparus didelėms sukauptoms radiacijos dozėms. Radiacijos žalą galima pašalinti atšilus vos 200 ° C temperatūrai.

Jis turi aukštą šviesos fotonų sugerties koeficientą, todėl turi puikų našumą esant silpnam apšvietimui, tai yra, jis praranda labai mažai energijos, kai yra silpnas saulės apšvietimas.

„GaAs“ saulės elementai yra efektyvūs net esant silpnam apšvietimui. Autorius: Arek Socha. Šaltinis: „Pixabay“.

Jis pagamina daugiau energijos vienam ploto vienetui nei bet kuri kita technologija. Tai svarbu, kai turite mažą plotą, pavyzdžiui, orlaivį, transporto priemonę ar mažą palydovą.

Tai lanksti ir mažo svorio medžiaga, kuri yra efektyvi net ir dengiant labai plonais sluoksniais, todėl saulės elementas yra labai lengvas, lankstus ir efektyvus.

Kosminių transporto priemonių saulės elementai

Kosmoso programos jau daugiau nei 25 metus naudoja „GaAs“ saulės elementus.

GaAs derinimas su kitais germanio, indio ir fosforo junginiais leido gauti labai efektyvius saulės elementus, kurie naudojami transporto priemonėse, tiriančiose Marso planetos paviršių.

Menininko versija apie „Marso“ roverį „Curiosity“. Šiame įrenginyje yra GaAs saulės elementai. NASA / JPL-Caltech / Viešoji nuosavybė. Šaltinis: „Wikimedia Commons“.

GaAs trūkumas

Tai yra labai brangi medžiaga, palyginti su siliciu, kuri buvo pagrindinė kliūtis ją praktiškai naudoti antžeminėse saulės baterijose.

Tačiau tiriami jų naudojimo ypatingai plonuose sluoksniuose metodai, kurie sumažins sąnaudas.

Naudojimas elektroniniuose prietaisuose

„GaAs“ gali būti įvairiai naudojamas įvairiuose elektroniniuose įrenginiuose.

Tranzistoriuose

Tranzistoriai yra elementai, kurie, be kitų, naudojami stiprinti elektrinius signalus ir atidaryti ar uždaryti grandines.

Naudojami tranzistoriuose, „GaAs“ turi didesnį elektroninį mobilumą ir didesnę varžą nei silicio, todėl toleruoja didesnės energijos ir aukštesnio dažnio sąlygas, sukurdami mažiau triukšmo.

GaAs tranzistorius, naudojamas galiai sustiprinti. Epop / CC0. Šaltinis: „Wikimedia Commons“.

GPS

Devintajame dešimtmetyje šio junginio naudojimas leido miniatiūruoti Visuotinės padėties nustatymo sistemos arba GPS (Global Positioning System) imtuvus.

Ši sistema leidžia centimetro tikslumu nustatyti objekto ar asmens buvimo vietą visoje planetoje.

Galio arsenidas naudojamas GPS sistemose. Autorius: Foundry Co. Šaltinis: Pixabay.

Optoelektronikos prietaisuose

„GaAs“ plėvelės, gautos santykinai žemoje temperatūroje, pasižymi puikiomis optoelektroninėmis savybėmis, tokiomis kaip aukšta varža (norint, kad laidininkui prireiktų didelės energijos) ir greitas elektronų perdavimas.

Dėl tiesioginio energijos trūkumo jį galima naudoti tokio tipo įrenginiuose. Tai yra prietaisai, kurie elektros energiją paverčia spinduliavimo energija arba atvirkščiai, pavyzdžiui, LED lemputės, lazeriai, detektoriai, šviesos diodai ir kt.

LED žibintuvėlis. Gali turėti galio arsenido. Autorius: Hebi B. Šaltinis: „Pixabay“.

Ypatingoje radiacijoje

Dėl šio junginio savybių jis buvo naudojamas generuoti radiaciją, kurios dažnis yra terahercas - radiacija, galinti prasiskverbti į visų rūšių medžiagas, išskyrus metalus ir vandenį.

Teraherco spinduliuotė, nes ji nėra jonizuojanti, gali būti naudojama gaunant medicininius vaizdus, ​​nes ji nepažeidžia kūno audinių ir nesukelia DNR pokyčių, pavyzdžiui, rentgeno.

Šie spinduliai taip pat leistų aptikti paslėptus žmonių ir lagaminų ginklus, galėtų būti naudojami chemijos ir biochemijos spektroskopinės analizės metoduose ir galėtų padėti atskleisti paslėptus meno kūrinius labai senuose pastatuose.

Galimas gydymas

Įrodyta, kad GaAs lazerio tipas yra naudingas didinant raumenų masės, pažeistos pelėms, gyvačių nuodams, regeneraciją. Tačiau norint nustatyti jo veiksmingumą žmonėms, reikalingi tyrimai.

Įvairios komandos

Jis naudojamas kaip puslaidininkis magnetovaržos įtaisuose, termistoriuose, kondensatoriuose, fotoelektroniniame šviesolaidiniame duomenų perdavime, mikrobangose, integruotose schemose, naudojamose palydovinio ryšio priemonėse, radaro sistemose, išmaniuosiuose telefonuose (4G technologija) ir planšetiniuose kompiuteriuose.

Išmaniųjų telefonų elektroninėse schemose gali būti GaAs. Autorius: Arek Socha. Šaltinis: „Pixabay“.

Pavojai

Tai labai toksiškas junginys. Ilgalaikis ar pakartotinis šios medžiagos poveikis kenkia kūnui.

Poveikio simptomai gali būti hipotenzija, širdies nepakankamumas, traukuliai, hipotermija, paralyžius, kvėpavimo takų edema, cianozė, kepenų cirozė, inkstų pažeidimai, hematurija ir leukopenija.

Tai gali sukelti vėžį ir pakenkti vaisingumui. Tai toksiška ir kancerogeniška ir gyvūnams.

Pavojingos atliekos

Augantis GaAs naudojimas elektroniniuose prietaisuose sukėlė susirūpinimą dėl šios medžiagos likimo aplinkoje ir galimos rizikos visuomenės ir aplinkos sveikatai.

Kai GaAs turintys prietaisai yra išmetami į kietųjų komunalinių atliekų sąvartynus, kyla latentinis arseno (toksiško ir nuodingo elemento) išsiskyrimo pavojus.

Tyrimai rodo, kad pH ir redox sąlygos sąvartynuose yra svarbios GaAs korozijai ir arseno išsiskyrimui. Esant pH 7,6 ir esant normaliai deguonies atmosferai, šio toksiško metaloido gali išsiskirti iki 15%.

Elektroninės įrangos negalima išmesti į sąvartynus, nes GaAs gali išleisti toksišką arseną. Autorius: INESby. Šaltinis: „Pixabay“.

Nuorodos

1. JAV nacionalinė medicinos biblioteka. (2019 m.). Galio arsenidas. Atkurta iš pubchem.ncbi.nlm.nih.gov.
2. Choudhury, SA ir kt. (2019 m.). Saulės elementų metalinės nanostruktūros. Saulės elementų nanomedžiagose. Atgauta iš „sciencedirect.com“.
3. Ramos-Ruiz, A. ir kt. (2018 m.). Galio arsenido (GaAs) išplovimo elgsena ir paviršiaus chemija keičiasi reaguojant į pH ir O ₂ . Atliekų tvarkymas 77 (2018) 1–9. Atgauta iš „sciencedirect.com“.
4. Schlesinger, TE (2001). „Gallium Arsenide“. Medžiagų enciklopedijoje: Mokslas ir technologijos. Atgauta iš „sciencedirect.com“.
5. Mylvaganam, K. et al. (2015). Kietos plonos plėvelės. „GaAs“ filmas. Savybės ir gamyba. Neabrazyviniuose nanokrūviuose. Atgauta iš „sciencedirect.com“.
6. Lide, DR (redaktorius) (2003). CRC chemijos ir fizikos vadovas. 85 ^-oji CRC spauda.
7. Elinoff, G. (2019). „Gallium Arsenide“: dar vienas puslaidininkių technologijos žaidėjas. Atkurta iš allaboutcircuits.com.
8. Silva, LH ir kt. (2012). Švitinimas GaAs 904 nm lazeriu pagerina miofiberio masės atsistatymą regeneruojant skeleto raumenis, anksčiau pažeistus crotoksino. Lazeriai Med Sci 27, 993-1000 (2012). Atkurta iš nuorodos.springer.com.
9. Lee, S.-M. et al. (2015). Didelio našumo ypač ploni „GaAs“ saulės elementai, įgalinti heterogeniškai integruotomis dielektrinėmis periodinėmis nanostruktūromis. ACS Nano. 2015 spalio 27; 9 (10): 10356-65. Atkurta iš ncbi.nlm.nih.gov.
10. Tanaka, A. (2004). Indio arsenido, galio arsenido ir aliuminio galio arsenido toksiškumas. „Toxicol Appl Pharmacol“. 2004 rugpjūčio 1; 198 (3): 405–11. Atkurta iš ncbi.nlm.nih.gov.