GALLIUMARSENID: STRUKTUR, EGENSKAPER, ANVÄNDNINGSOMRÅDEN, RISKER - KEMI - 2025

Den galliumarsenid en oorganisk förening som består av gallium atom elementet (Ga) och arsenik atom (As). Dess kemiska formel är GaAs. Det är en mörkgrå massiv som kan ha en blågrön metallglans.

Nanostrukturer av denna förening har erhållits med potential för olika användningsområden inom många elektronikområden. Det tillhör en grupp av material som kallas föreningar III-V på grund av dess element i den kemiska periodiska tabellen.

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

Det är ett halvledarmaterial, vilket innebär att det endast kan leda elektricitet under vissa förhållanden. Det används ofta i elektroniska enheter, såsom transistorer, GPS, LED-lampor, lasrar, surfplattor och smarta telefoner.

Den har egenskaper som gör att den lätt kan ta upp ljus och omvandla det till elektrisk energi. Av den anledningen används den i solceller från satelliter och rymdfarkoster.

Det möjliggör generering av strålning som tränger igenom olika material och även levande organismer utan att skada dem. Användningen av en typ av GaAs-laser som regenererar muskelmassa skadad av ormgift har studerats.

Men det är en giftig förening och kan orsaka cancer hos människor och djur. Elektronisk utrustning som kastas i deponier kan frigöra farligt arsenik och vara skadligt för människors, djurens och miljöns hälsa.

Strukturera

Galliumarsenid har ett 1: 1-förhållande mellan ett element i grupp III i det periodiska systemet och ett element i grupp V, varför det kallas förening III-V.

Det anses vara ett intermetalliskt fast ämne som består av arsenik (As) och gallium (Ga) med oxidationstillstånd från Ga ⁽⁰⁾ As ⁽⁰⁾ till Ga ⁽⁺³⁾ As ^(-3) .

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

Nomenklatur

• Galliumarsenid
• Gallium monoarsenide

Egenskaper

Fysiskt tillstånd

Mörkgrått kristallint fast material med blågrönt metallglans eller grått pulver. Dess kristaller är kubiska.

GaAs-kristaller. Vänster: polerad sida. Höger: grov sida. Materialscientist på engelska Wikipedia / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0). Källa: Wikimedia Commons.

Molekylvikt

144,64 g / mol

Smältpunkt

1238 ºC

Densitet

5,3176 g / cm ³ vid 25 ° C.

löslighet

I vatten: mindre än 1 mg / ml vid 20 ° C.

Kemiska egenskaper

Den har ett hydrat som kan bilda syrasalter. Det är stabilt i torr luft. I fuktig luft mörknar det.

Det kan reagera med ånga, syror och sura gaser och avger den giftiga gasen som kallas arsin, arsan eller arsenhydrid (AsH ₃ ). Reagerar med baser som avger vätgas.

Den attackeras av koncentrerad saltsyra och av halogener. När den smälter attackerar den kvarts. Om det blir vått avger det en vitlöklukt och om den värms upp till sönderdelning avger den mycket giftiga arsengaser.

Andra fysiska egenskaper

Det är ett halvledarmaterial som innebär att det kan bete sig som en ledare för elektricitet eller som en isolator beroende på de förhållanden som det utsätts för, till exempel det elektriska fältet, trycket, temperaturen eller strålningen den får.

Avstånd mellan elektroniska band

Den har en energigapbredd på 1 244 eV (elektronvolt). Bredden på energigapet, det förbjudna bandet eller bandgapet är utrymmet mellan en atoms elektronskal.

Ju bredare energiklyftan är, desto större energi krävs av elektronerna för att "hoppa" till nästa skal och få halvledaren att ändra till ett ledande tillstånd.

GaAs har ett större energigap än kisel och det gör det mycket motståndskraftigt mot strålning. Det är också en direkt gapbredd, så att den kan avge ljus mer effektivt än kisel, vars gapbredd är indirekt.

Erhållande

Det kan erhållas genom ledning av en gasformig blandning av väte (H ₂ ) och arsenik över gallium (III) oxid (Ga ₂ O ₃ ) vid 600 ° C.

Den kan även framställas genom reaktion mellan gallium (III) klorid (GaCl ₃ ) och arsenik oxid (Som ₂ O ₃ ) vid 800 ° C.

Används i solceller

Galliumarsenid har använts i solceller sedan 1970-talet, eftersom den har enastående fotovoltaiska egenskaper som ger den en fördel jämfört med andra material.

Det presterar bättre än kisel när det konverterar solenergi till elektricitet, levererar mer energi under förhållanden med hög värme eller svagt ljus, två av de vanliga förhållandena som solceller tål, där det är förändringar i belysning och temperaturnivåer.

Vissa av dessa solceller används i solenergibilar, rymdfarkoster och satelliter.

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

Fördelar med GaAs för denna applikation

Den är motståndskraftig mot fukt och ultraviolett strålning, vilket gör den mer hållbar mot miljöförhållanden och gör att den kan användas i flyg- och rymdapplikationer.

Den har en låg temperaturskoefficient, så den förlorar inte effektiviteten vid höga temperaturer och motstår höga ackumulerade strålningsdoser. Strålningsskador kan avlägsnas genom härdning vid bara 200 ° C.

Den har en hög absorptionskoefficient för ljusfotoner, så den har en hög prestanda i svagt ljus, det vill säga att den tappar mycket lite energi när det är dålig belysning från solen.

GaAs solceller är effektiva även i svagt ljus. Författare: Arek Socha. Källa: Pixabay.

Den producerar mer energi per enhetsarea än någon annan teknik. Detta är viktigt när du har ett litet område som flygplan, fordon eller små satelliter.

Det är ett flexibelt material med låg vikt och är effektivt även om det appliceras i mycket tunna lager, vilket gör solcellen mycket lätt, flexibel och effektiv.

Solceller för rymdfarkoster

Rymdprogram har använt GaAs solceller i mer än 25 år.

Kombinationen av GaAs med andra föreningar av germanium, indium och fosfor har gjort det möjligt att få mycket högeffektiva solceller som används i fordon som utforskar ytan på planeten Mars.

Konstnärens version av Curiosity rover på Mars. Denna enhet har solceller från GaAs. NASA / JPL-Caltech / Public domain. Källa: Wikimedia Commons.

Nackdel med GaAs

Det är ett mycket dyrt material jämfört med kisel, som har varit den viktigaste hinder för dess praktiska implementering i markbundna solceller.

Emellertid studeras metoder för användning i extremt tunna lager, vilket kommer att minska kostnaderna.

Användning i elektroniska apparater

GaAs har flera användningsområden i olika elektroniska enheter.

I transistorer

Transistorer är element som tjänar till att förstärka elektriska signaler och öppna eller stängda kretsar, bland andra användningar.

Används i transistorer har GaAs en högre elektronisk rörlighet och en högre resistivitet än kisel, så det tolererar förhållanden med högre energi och högre frekvens, vilket genererar mindre brus.

GaAs transistor används för att förstärka effekten. Epop / CC0. Källa: Wikimedia Commons.

På GPS

Under 1980-talet tillät användningen av denna förening miniatyriseringen av mottagarna för Global Positioning System eller GPS (Global Positioning System).

Detta system gör det möjligt att bestämma ett objekts eller persons position på hela planeten med en noggrannhet av centimeter.

Galliumarsenid används i GPS-system. Författare: Foundry Co. Källa: Pixabay.

I optoelektroniska enheter

GaAs-filmer erhållna vid relativt låga temperaturer har utmärkta optoelektroniska egenskaper, såsom hög resistivitet (kräver hög energi för att bli en ledare) och snabb elektronöverföring.

Dess direkta energigap gör den lämplig för användning i den här typen av enheter. De är enheter som omvandlar elektrisk energi till strålningsenergi eller vice versa, såsom LED-lampor, lasrar, detektorer, ljusemitterande dioder etc.

LED-ficklampa. Kan innehålla galliumarsenid. Författare: Hebi B. Källa: Pixabay.

I speciell strålning

Egenskaperna hos denna förening har fått användningen att generera strålning med frekvenser av terahertz, som är strålning som kan penetrera alla typer av material utom metaller och vatten.

Terahertz-strålning, eftersom den är icke-joniserande, kan appliceras för att få medicinska bilder, eftersom den inte skadar kroppens vävnader eller orsakar förändringar i DNA som röntgenstrålar.

Dessa strålningar skulle också göra det möjligt att upptäcka dolda vapen i människor och bagage, kan användas i spektroskopiska analysmetoder inom kemi och biokemi och kan hjälpa till att avslöja dolda konstverk i mycket gamla byggnader.

Potentiell medicinsk behandling

En typ av GaAs-laser har visat sig vara användbar för att förbättra regenereringen av muskelmassa skadad av en typ av ormgiften i möss. Emellertid krävs studier för att bestämma dess effektivitet hos människor.

Olika lag

Den används som halvledare i magnetoresistansanordningar, termistorer, kondensatorer, fotoelektronisk fiberoptisk dataöverföring, mikrovågor, integrerade kretsar som används i enheter för satellitkommunikation, radarsystem, smartphones (4G-teknik) och surfplattor.

Elektroniska kretsar i smartphones kan innehålla GaA: er. Författare: Arek Socha. Källa: Pixabay.

risker

Det är en mycket giftig förening. Långvarig eller upprepad exponering för detta material orsakar skador på kroppen.

Symtom på exponering kan inkludera hypotoni, hjärtsvikt, kramper, hypotermi, förlamning, andningsödem, cyanos, levercirrhos, njurskador, hematuri och leukopeni, bland många andra.

Det kan orsaka cancer och skada fertiliteten. Det är giftigt och cancerframkallande även för djur.

Farligt avfall

Den ökande användningen av GaA: er i elektroniska apparater har gett upphov till oro för detta materials öde i miljön och dess potentiella risker för folkhälsan och miljön.

Det finns en latent risk för frisättning av arsenik (giftigt och giftigt element) när enheter som innehåller GaAs kastas i deponier för fast avfall.

Studier visar att pH och redoxförhållanden på deponier är viktiga för GaAs korrosion och frisättning av arsen. Vid pH 7,6 och under en normal syreatmosfär kan upp till 15% av denna giftiga metalloid frigöras.

Elektronisk utrustning bör inte kasseras på deponier eftersom GaAs kan frisätta den giftiga arseniken. Författare: INESby. Källa: Pixabay.

referenser

1. US National Library of Medicine. (2019). Galliumarsenid. Återställs från pubchem.ncbi.nlm.nih.gov.
2. Choudhury, SA et al. (2019). Metall nanostrukturer för solceller. I nanomaterial för solcellsapplikationer. Återställs från sciencedirect.com.
3. Ramos-Ruiz, A. et al. (2018). Galliumarsenid (GaAs) urlakning beteende och ytkemi förändringar som svar på pH och O ₂ . Waste Management 77 (2018) 1-9. Återställs från sciencedirect.com.
4. Schlesinger, TE (2001). Gallium Arsenide. In Encyclopedia of Materials: Science and Technology. Återställs från sciencedirect.com.
5. Mylvaganam, K. et al. (2015). Hårda tunna filmer. GaAs film. Egenskaper och produktion. I Anti-Abrasive Nanocoatings. Återställs från sciencedirect.com.
6. Lide, DR (redaktör) (2003). CRC-handbok för kemi och fysik. 85: ^e CRC-tryck.
7. Elinoff, G. (2019). Gallium Arsenide: En annan spelare inom halvledarteknik. Återställs från allaboutcircuits.com.
8. Silva, LH et al. (2012). GaAs 904-nm laserbestrålning förbättrar myofiber massåterhämtning under regenerering av skelettmuskler som tidigare skadats av krotoxin. Lasers Med Sci 27, 993-1000 (2012). Återställdes från link.springer.com.
9. Lee, S.-M. et al. (2015). Högprestanda Ultrathin GaAs solceller aktiverade med heterogena integrerade dielektriska periodiska nanostrukturer. ACS Nano. 2015 27 oktober; 9 (10): 10356-65. Återställs från ncbi.nlm.nih.gov.
10. Tanaka, A. (2004). Toxicitet av indiumarsenid, galliumarsenid och aluminiumgaliumarsenid. Toxicol Appl Pharmacol. 2004 1 aug; 198 (3): 405-11. Återställs från ncbi.nlm.nih.gov.