Perfil de metal: Gallium

O gálio é um metal menor corrosivo e de cor prata que derrete perto da temperatura ambiente e é usado com mais freqüência na produção de compostos semicondutores.

Propriedades:

• Símbolo Atômico: Ga
• Número Atômico: 31
• Elemento Categoria: Pós-transição de metal
• Densidade: 5. 91 g / cm³ (a 73 ° F / 23 ° C)
• Ponto de fusão: 85. 58 ° F (29. 76 ° C)
• Ponto de ebulição: 2209 ° C
• Dureza de Moh: 1. 5

Características:

O gálio puro é branco prateado e derrete a temperaturas abaixo de 29 ° C (37 ° F).

O metal permanece em um estado fundido até cerca de 4000 ° F (2204 ° C), dando-lhe a maior gama de líquidos de todos os elementos metálicos.

O gálio é um dos poucos metais que se expande à medida que esfria, aumentando em volume em pouco mais de 3%.

Embora o gálio facilmente liga com outros metais, é corrosivo, difundindo na rede e enfraquecendo a maioria dos metais. O seu baixo ponto de fusão, no entanto, torna útil em certas ligas de baixo teor de fusão.

Em oposição ao mercúrio, que também é líquido a temperatura ambiente, o gálio mole a pele e o vidro, tornando-o mais difícil de manusear. No entanto, o gálio não é tão tóxico quanto o mercúrio.

Histórico:

Descoberto em 1875 por Paul-Emile Lecoq de Boisbaudran ao examinar minérios de esfalerita, o gálio não foi usado em nenhum aplicativo comercial até a última parte do século XX.

O gálio é pouco utilizado como metal estrutural, mas seu valor em muitos dispositivos eletrônicos modernos não pode ser subestimado.

Utilizações comerciais de gálio desenvolvidas a partir da pesquisa inicial sobre diodos emissores de luz (LEDs) e tecnologia de semicondutores de radiofrequência III-V (RF), que começou no início da década de 1950.

Em 1962, a pesquisa do físico físico da IBM J. B. Gunn sobre arsenieto de gálio (GaAs) levou à descoberta de oscilação de alta freqüência da corrente elétrica que flui através de certos sólidos semicondutores - agora conhecido como "efeito Gunn".

Este avanço abriu o caminho para que os detectores militares iniciais fossem construídos usando diodos Gunn (também conhecidos como dispositivos de transferência eletrônica) que desde então foram usados ​​em vários dispositivos automatizados, de detectores de radar de carro e controladores de sinal para detectores de conteúdo de umidade e alarmes anti-roubo .

Os primeiros LEDs e lasers com base em GaAs foram produzidos no início dos anos 1960 por pesquisadores da RCA, GE e IBM.

Inicialmente, os LEDs só conseguiram produzir ondas de luz infravermelha invisíveis, limitando as luzes ao sensor e aplicações foto-eletrônicas. Mas seu potencial como fontes de luz compactas eficientes em energia era evidente.

No início da década de 1960, a Texas Instruments começou a oferecer LEDs comercialmente. Na década de 1970, os primeiros sistemas de exibição digital, usados ​​em relógios e displays de calculadoras, logo foram desenvolvidos usando sistemas de retroiluminação LED.

Pesquisas adicionais nas décadas de 1970 e 1980 resultaram em técnicas de deposição mais eficientes, tornando a tecnologia LED mais confiável e econômica. O desenvolvimento de compostos semicondutores de gálio-alumínio-arsênico (GaAlAs) resultou em LEDs que foram dez vezes mais brilhantes do que o anterior, enquanto o espectro de cores disponível para LEDs também avançou com base em novos substratos semi-condutores contendo gálio, como indio- nitreto de gálio (InGaN), fosforeto de arseneto de gálio (GaAsP) e fosforeto de gálio (GaP).

No final da década de 1960, as propriedades condutoras de GaAs também foram pesquisadas como parte de fontes de energia solar para exploração espacial. Em 1970, uma equipe de pesquisa soviética criou as primeiras células solares de heterosestrutura GaAs.

Crítica para a fabricação de dispositivos optoeletrônicos e circuitos integrados (ICs), a demanda por bolachas GaAs disparou no final da década de 1990 e início do século 21 em correlação com o desenvolvimento de tecnologias de comunicação móvel e energia alternativa.

Não surpreendentemente, em resposta a essa demanda crescente, entre 2000 e 2011, a produção global de gálio primário mais que o dobro de aproximadamente 100 toneladas métricas (MT) por ano para mais de 300MT.

Produção:

O teor médio de gálio na crosta terrestre é estimado em cerca de 15 partes por milhão, aproximadamente semelhante ao lítio e mais comum do que o chumbo.

O metal, no entanto, é amplamente disperso e está presente em poucos corpos de minério economicamente extraíveis.

Até 90% de todo o gálio primário produzido atualmente é extraído da bauxita durante a refinação de alumina (Al2O3), um precursor do alumínio. Uma pequena quantidade de gálio é produzida como subproduto da extração de zinco durante a refinação do minério de esfalerita.

Durante o processo Bayer de refinação de minério de alumínio para alumina, o minério triturado é lavado com uma solução quente de hidróxido de sódio (NaOH). Isso converte alumina em aluminato de sódio, que se instala em tanques enquanto o licor de hidróxido de sódio que agora contém gálio é coletado para reutilização.

Como este licor é reciclado, o teor de gálio aumenta após cada ciclo até atingir um nível de cerca de 100-125 ppm. A mistura pode então ser tomada e concentrada como galato via extração de solvente usando agentes quelantes orgânicos.

Em um banho eletrolítico a temperaturas de 104-140 ° F (40-60 ° C), a galeada de sódio é convertida em gálio impuro. Após a lavagem em ácido, isso pode ser filtrado através de cerâmicas porosas ou placas de vidro para criar 99. 9-99. 99% de gálio metálico.

99. 99% é o grau padrão de precursor para aplicações GaAs, mas novas utilizações requerem maiores purezas que podem ser alcançadas através do aquecimento do metal sob vácuo para remover elementos voláteis ou purificação eletroquímica e métodos de cristalização fracionada.

Ao longo da última década, grande parte da produção primária de gálio do mundo mudou-se para a China, que agora fornece cerca de 70% do gálio mundial. Outras nações produtoras primárias incluem a Ucrânia e o Cazaquistão.

Cerca de 30% da produção anual de gálio é extraída de sucata e materiais recicláveis, como bolachas de IC contendo GaAs.A maioria da reciclagem de gálio ocorre no Japão, América do Norte e Europa.

O US Geological Survey estima que 310MT de gálio refinado foi produzido em 2011.

Os maiores produtores do mundo incluem Zhuhai Fangyuan, Beijing Jiya Semiconductor Materials e Recapture Metals Ltd.

Aplicações:

Quando o gálio ligado tende a corroer ou fazer metais como aço quebradiço. Essa característica, juntamente com sua temperatura de fusão extremamente baixa, significa que o gálio é pouco utilizado em aplicações estruturais.

Na sua forma metálica, o gálio é usado em soldas e ligas de baixo teor de fusão, como o Galinstan®, mas é encontrado com freqüência em materiais semicondutores.

As principais aplicações do gálio podem ser categorizadas em 5 grupos:

1. Semicondutores: contabilizando cerca de 70% do consumo anual de gálio, as bolachas GaAs são a espinha dorsal de muitos dispositivos eletrônicos modernos, como smartphones e outros dispositivos de comunicação sem fio que dependem da capacidade de economia de energia e capacidade de amplificação dos CIs GaAs.

2. Diodos emissores de luz (LEDs): desde 2010, a demanda global de gálio do setor de LEDs dobrou, devido ao uso de LEDs de alto brilho em telas de tela plana e móvel. O movimento global para uma maior eficiência energética também levou ao apoio do governo para o uso de iluminação LED sobre iluminação fluorescente incandescente e compacta.

3. Energia solar: o uso de gálio em aplicações de energia solar é focado em duas tecnologias:

• células solares concentradoras GaAs
• células solares de película fina de cádmio-indio-gálio-selênio (CIGS)

Como células fotovoltaicas altamente eficientes, ambas as tecnologias tiveram sucesso em aplicações especializadas, particularmente relacionadas a aeroespacial e militar, mas ainda enfrentam barreiras ao uso comercial em grande escala.

4. Materiais magnéticos: ímãs permanentes de alta resistência são um componente chave de computadores, automóveis híbridos, turbinas eólicas e vários outros equipamentos eletrônicos e automáticos. Pequenas adições de gálio são usadas em alguns ímãs permanentes, incluindo imãs de neodimínio-ferro-boro (NdFeB).

5. Outras aplicações:

• Especialidades ligas e soldas
• Espelhos molhantes
• Com plutônio como estabilizador nuclear
• Liga de memória de forma de níquel-manganês-gálio
• Catalizador de petróleo
• Aplicações biomédicas, incluindo produtos farmacêuticos (gálio nitrato)
• Fosfatos
• Detecção de Neutrino

_Fontes:

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