GALLIUM ARSENIDE: STRUKTURA, VLASTNOSTI, POUŽITÍ, RIZIKA - CHEMIE - 2025

Arsenidu galia anorganické sloučeniny, skládající se z gallia atomu prvku (Ga) a arsenu atomu (As). Jeho chemický vzorec je GaAs. Je to tmavě šedá pevná látka, která může mít modrozelený kovový lesk.

Nanostruktury této sloučeniny byly získány s potenciálem pro různá použití v mnoha oblastech elektroniky. Patří do skupiny materiálů zvaných sloučeniny III-V kvůli umístění svých prvků v chemické periodické tabulce.

Nanostruktury GaAs. На Сычикова, Сергей Ковачёв / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0). Zdroj: Wikimedia Commons.

Jedná se o polovodičový materiál, což znamená, že může vést elektřinu pouze za určitých podmínek. Je široce používán v elektronických zařízeních, jako jsou tranzistory, GPS, LED světla, lasery, tablety a chytré telefony.

Má vlastnosti, které mu umožňují snadno absorbovat světlo a přeměnit jej na elektrickou energii. Z tohoto důvodu se používá v solárních článcích satelitů a kosmických vozidel.

Umožňuje generovat záření, které proniká různými materiály a také živými organismy, aniž by jim způsobovalo poškození. Bylo studováno použití typu GaAs laseru, který regeneruje svalovou hmotu poškozenou hadím jedem.

Je to však toxická sloučenina a může u lidí a zvířat vyvolat rakovinu. Elektronická zařízení, která se ukládají na skládky, mohou uvolňovat nebezpečný arzén a škodlivé pro zdraví lidí, zvířat a životního prostředí.

Struktura

Arzenid Gallium má poměr 1: 1 mezi prvkem skupiny III periodické tabulky a prvkem skupiny V, a proto se nazývá sloučenina III-V.

Považuje se za intermetalickou pevnou látku složenou z arsenu (As) a galia (Ga) s oxidačními stavy v rozmezí od Ga ⁽⁰⁾ As ⁽⁰⁾ do Ga ⁽⁺³⁾ As ^(-3).

Krystal arsenidu galium. W. Oelen / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0). Zdroj: Wikimedia Commons.

Nomenklatura

• Gallium arsenid
• Monoarsenid gallia

Vlastnosti

Fyzický stav

Tmavě šedá krystalická pevná látka s modrozeleným kovovým leskem nebo šedým práškem. Jeho krystaly jsou krychlové.

Krystaly GaAs. Vlevo: leštěná strana. Vpravo: hrubá strana. Materialscientist ve společnosti English Wikipedia / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0). Zdroj: Wikimedia Commons.

Molekulární váha

144,64 g / mol

Bod tání

1238 ° C

Hustota

5,3176 g / cm ³ při 25 ° C

Rozpustnost

Ve vodě: méně než 1 mg / ml při 20 ° C

Chemické vlastnosti

Má hydrát, který může tvořit kyselé soli. Je stabilní na suchém vzduchu. Ve vlhkém vzduchu ztmavne.

Může reagovat s párou, kyselinami a kyselými plyny a uvolňovat jedovatý plyn zvaný arsin, arsan nebo hydrid arsenu (AsH ₃). Reaguje s bázemi a uvolňuje plynný vodík.

Je napaden koncentrovanou kyselinou chlorovodíkovou a halogeny. Když roztaví, útočí na křemen. Pokud zvlhne, uvolní česnekový zápach a pokud se zahřeje na rozklad, uvolní vysoce toxické arsické plyny.

Další fyzikální vlastnosti

Je to polovodičový materiál, což znamená, že se může chovat jako dirigent elektřiny nebo jako izolátor v závislosti na podmínkách, kterým je vystaven, jako je elektrické pole, tlak, teplota nebo záření, které přijímá.

Mezera mezi elektronickými pásmy

Má šířku energetické mezery 1 424 eV (elektronové volty). Šířka energetické mezery, zakázaného pásma nebo bandgapu je prostor mezi elektronovými náboji atomu.

Čím větší je energetická mezera, tím větší je energie potřebná pro elektrony, aby „skočila“ do další skořepiny a způsobila změnu polovodiče na vodivý stav.

GaAs má širší energetickou mezeru než křemík a díky tomu je vysoce odolný vůči záření. Je to také přímá šířka mezery, takže může emitovat světlo efektivněji než křemík, jehož šířka mezery je nepřímá.

Získání

To může být dosaženo průchodem plynné směsi vodíku (H ₂), a arzen přes galia (III) kysličník (GA ₂ O ₃), při 600 ° C

To může také být připraveny reakcí mezi gallium chlorid (III) (GaCl ₃) a oxid arsen (As ₂ O ₃), při teplotě 800 ° C,

Použití v solárních článcích

Gallium arsenid se používá v solárních článcích od 70. let 20. století, protože má vynikající fotovoltaické vlastnosti, které mu poskytují výhodu oproti jiným materiálům.

Při přeměně sluneční energie na elektřinu funguje lépe než křemík, dodává více energie za vysokých teplot nebo za zhoršených světelných podmínek, což jsou dvě běžné podmínky, které solární články vydrží, kde dochází ke změnám úrovně osvětlení a teploty.

Některé z těchto solárních článků se používají v solárních vozidlech, kosmických vozidlech a satelitech.

GaAs solární články na malém satelitu. Námořní akademie Spojených států / public domain. Zdroj: Wikimedia Commons.

Výhody GaA pro tuto aplikaci

Je odolný vůči vlhkosti a ultrafialovému záření, díky čemuž je odolnější vůči povětrnostním podmínkám a umožňuje jeho použití v leteckých aplikacích.

Má nízký teplotní koeficient, takže neztrácí účinnost při vysokých teplotách a odolává vysokým akumulovaným dávkám záření. Radiační poškození lze odstranit temperováním při pouhých 200 ° C.

Má vysoký koeficient absorpce fotonů světla, takže má vysoký výkon při slabém světle, to znamená, že při špatném osvětlení ze slunce ztrácí velmi málo energie.

Solární články GaAs jsou účinné i při nízkém osvětlení. Autor: Arek Socha. Zdroj: Pixabay.

Produkuje více energie na jednotku plochy než jakákoli jiná technologie. To je důležité, pokud máte malou oblast, jako jsou letadla, vozidla nebo malé satelity.

Jedná se o flexibilní materiál s nízkou hmotností, účinný i při použití ve velmi tenkých vrstvách, díky čemuž je solární článek velmi lehký, pružný a účinný.

Solární články pro kosmická vozidla

Vesmírné programy využívají solární články GaAs více než 25 let.

Kombinace GaAs s jinými sloučeninami germania, india a fosforu umožnila získat vysoce účinné solární články, které se používají ve vozidlech, která prozkoumávají povrch planety Mars.

Umělecká verze roveru zvědavosti na Marsu. Toto zařízení má solární články GaAs. NASA / JPL-Caltech / Public domain. Zdroj: Wikimedia Commons.

Nevýhoda GaAs

Je to velmi drahý materiál ve srovnání s křemíkem, který byl hlavní bariérou jeho praktického uplatnění v pozemních solárních článcích.

Jsou však studovány způsoby jejich použití v extrémně tenkých vrstvách, které sníží náklady.

Použití v elektronických zařízeních

GaAs má více použití v různých elektronických zařízeních.

V tranzistorech

Tranzistory jsou prvky, které slouží mimo jiné k zesílení elektrických signálů a otevřeným nebo uzavřeným obvodům.

Při použití v tranzistorech má GaAs vyšší elektronickou mobilitu a vyšší odpor než křemík, takže toleruje podmínky vyšší energie a vyšší frekvence, čímž vytváří menší šum.

Tranzistor GaAs používaný k zesílení výkonu. Epop / CC0. Zdroj: Wikimedia Commons.

Na GPS

V 80. letech umožnilo použití této sloučeniny miniaturizaci přijímačů Global Positioning System nebo GPS (Global Positioning System).

Tento systém umožňuje určit polohu objektu nebo osoby na celé planetě s přesností na centimetry.

Gallium arsenide se používá v systémech GPS. Autor: Foundry Co. Zdroj: Pixabay.

V optoelektronických zařízeních

Filmy GaAs získané při relativně nízkých teplotách mají vynikající optoelektronické vlastnosti, jako je vysoký odpor (vyžaduje vysokou energii, aby se stal vodičem) a rychlý přenos elektronů.

Díky své přímé energetické mezeře je vhodný pro použití v tomto typu zařízení. Jsou to zařízení, která transformují elektrickou energii na zářivou energii nebo naopak, jako jsou LED světla, lasery, detektory, diody emitující světlo atd.

LED svítilna. Může obsahovat arsenid gallia. Autor: Hebi B. Zdroj: Pixabay.

Ve speciálním záření

Vlastnosti této sloučeniny vedly k jejímu použití pro generování záření s frekvencemi terahertzů, což jsou záření, které může pronikat do všech typů materiálů s výjimkou kovů a vody.

Terahertzovo záření, protože je neionizující, lze použít při získávání lékařských snímků, protože nepoškozuje tkáně těla ani nezpůsobuje změny v DNA, jako jsou rentgenové paprsky.

Tato záření by také umožnila odhalit skryté zbraně u lidí a zavazadel, mohla by být použita při spektroskopických analytických metodách v chemii a biochemii a mohla by pomoci odhalit skrytá umělecká díla ve velmi starých budovách.

Možné lékařské ošetření

Ukázalo se, že typ GaAs laseru je užitečný při zvyšování regenerace svalové hmoty poškozené typem hadího jedu u myší. Jsou však nutné studie, aby se stanovila jeho účinnost u lidí.

Různé týmy

Používá se jako polovodič v magnetorezistenčních zařízeních, termistorech, kondenzátorech, fotoelektronickém přenosu dat z optických vláken, mikrovlnách, integrovaných obvodech používaných v zařízeních pro satelitní komunikaci, radarových systémech, smartphonech (technologie 4G) a tabletech.

Elektronické obvody v chytrých telefonech mohou obsahovat GaAs. Autor: Arek Socha. Zdroj: Pixabay.

Rizika

Je to vysoce toxická sloučenina. Dlouhodobé nebo opakované působení tohoto materiálu způsobuje poškození těla.

Mezi příznaky expozice patří mimo jiné hypotenze, srdeční selhání, záchvaty, podchlazení, paralýza, respirační edém, cyanóza, jaterní cirhóza, poškození ledvin, hematurie a leukopenie.

Může způsobit rakovinu a poškodit plodnost. Je toxický a karcinogenní také pro zvířata.

Nebezpečný odpad

Rostoucí používání GaA v elektronických zařízeních vyvolalo obavy ohledně osudu tohoto materiálu v životním prostředí a jeho potenciálních rizik pro veřejné zdraví a životní prostředí.

Při likvidaci zařízení obsahujících GaAs na skládkách pevného komunálního odpadu existuje latentní riziko uvolňování arsenu (toxický a jedovatý prvek).

Studie ukazují, že pH a redoxní podmínky na skládkách jsou důležité pro korozi GaA a uvolňování arsenu. Při pH 7,6 a za normální kyslíkové atmosféry se může uvolnit až 15% tohoto toxického metaloidu.

Elektronické vybavení by nemělo být likvidováno na skládkách, protože GaAs může uvolňovat toxický arsen. Autor: INESby. Zdroj: Pixabay.

Reference

1. Americká národní lékařská knihovna. (2019). Gallium arsenid. Obnoveno z pubchem.ncbi.nlm.nih.gov.
2. Choudhury, SA a kol. (2019). Kovové nanostruktury pro solární články. V nanomateriálech pro aplikace solárních článků. Obnoveno z sciposedirect.com.
3. Ramos-Ruiz, A. a kol. (2018). Gallium arsenide (GaAs) výluh chování a chemické změny povrchu v reakci na pH a O ₂. Odpadové hospodářství 77 (2018) 1-9. Obnoveno z sciposedirect.com.
4. Schlesinger, TE (2001). Gallium Arsenide. V encyklopedii materiálů: Věda a technologie. Obnoveno z sciposedirect.com.
5. Mylvaganam, K. a kol. (2015). Tvrdé tenké filmy. GaAs film. Vlastnosti a výroba. V anti-abrazivních nano nátěrech. Obnoveno z sciposedirect.com.
6. Lide, DR (editor) (2003). CRC Příručka chemie a fyziky. 85 ^th CRC Press.
7. Elinoff, G. (2019). Gallium Arsenide: Další hráč v polovodičové technologii. Obnoveno z allaboutcircuits.com.
8. Silva, LH a kol. (2012). GaAs 904 nm laserové záření zlepšuje regeneraci hmoty myofiber během regenerace kosterního svalu dříve poškozeného crotoxinem. Lasers Med Sci 27, 993-1000 (2012). Obnoveno z odkazu.springer.com.
9. Lee, S.-M. et al. (2015). Vysoce výkonné solární články Ulathath GaAs s heterogenně integrovanými dielektrickými periodickými nanostrukturami. ACS Nano. 2015 říjen 27; 9 (10): 10356-65. Obnoveno z ncbi.nlm.nih.gov.
10. Tanaka, A. (2004). Toxicita arzenidu india, arsenidu gallia a arsenidu hlinitého gallia. Toxicol Appl Pharmacol. 1. srpna 2004; 198 (3): 405-11. Obnoveno z ncbi.nlm.nih.gov.