Profil métallique: Gallium

Le métal mineur qui aide les lumières LED à briller

Le gallium est un métal mineur corrosif de couleur argent qui fond à la température ambiante et qui est le plus souvent utilisé dans la production de composés semi-conducteurs.

Propriétés:

Caractéristiques:

Le gallium pur est blanc argenté et fond à des températures inférieures à 85 ° F (29,4 ° C).

Le métal reste à l'état fondu jusqu'à près de 4000 ° F (2204 ° C), ce qui lui donne la plus grande gamme de liquides de tous les éléments métalliques.

Le gallium est l'un des rares métaux qui se dilate à mesure qu'il se refroidit, augmentant en volume d'un peu plus de 3%.

Bien que le gallium s'unisse facilement avec d'autres métaux, il est corrosif , se diffuse dans le réseau et affaiblit la plupart des métaux. Son point de fusion bas, cependant, le rend utile dans certains alliages à faible point de fusion.

Contrairement au mercure , qui est également liquide à température ambiante, le gallium mouille à la fois la peau et le verre, ce qui le rend plus difficile à manipuler. Le gallium n'est pas aussi toxique que le mercure.

Histoire:

Découvert en 1875 par Paul-Emile Lecoq de Boisbaudran lors de l'examen des minerais de sphalérite, le gallium n'a été utilisé dans aucune application commerciale jusqu'à la dernière partie du 20ème siècle.

Le gallium est peu utilisé comme métal de construction, mais sa valeur dans de nombreux appareils électroniques modernes ne peut pas être sous-estimée.

Les utilisations commerciales du gallium sont issues de la recherche initiale sur les diodes électroluminescentes (DEL) et de la technologie des semi-conducteurs à radiofréquence (RF) III-V, qui a débuté au début des années 1950.

En 1962, la recherche du physicien d'IBM JB Gunn sur l'arséniure de gallium (GaAs) a conduit à la découverte de l'oscillation à haute fréquence du courant électrique circulant à travers certains solides semi-conducteurs - maintenant connu sous le nom «Gunn Effect». Cette percée a ouvert la voie à la construction de détecteurs militaires à l'aide de diodes Gunn (également appelées dispositifs à transfert d'électrons) utilisés dans divers dispositifs automatisés, depuis les détecteurs de radar et les contrôleurs de signaux jusqu'aux détecteurs d'humidité et aux alarmes antivol.

Les premiers LED et lasers à base de GaAs ont été produits au début des années 1960 par des chercheurs de RCA, GE et IBM.

Initialement, les LED étaient seulement capables de produire des ondes lumineuses infrarouges invisibles, limitant les lumières aux capteurs et aux applications photoélectroniques. Mais leur potentiel en tant que sources de lumière compacte éconergétiques était évident.

Au début des années 1960, Texas Instruments a commencé à offrir des LED commercialement. Dans les années 1970, les premiers systèmes d'affichage numérique, utilisés dans les montres et les affichages de la calculatrice, ont été bientôt développés en utilisant des systèmes de rétroéclairage LED.

Des recherches supplémentaires dans les années 1970 et 1980 ont abouti à des techniques de dépôt plus efficaces, rendant la technologie LED plus fiable et plus rentable. Le développement des composés semi-conducteurs gallium-aluminium-arsenic (GaAlAs) a permis d'obtenir des DEL dix fois plus brillantes que les précédentes, tandis que le spectre chromatique disponible pour les DEL évoluait également avec de nouveaux substrats semi-conducteurs contenant du gallium, comme l'indium -nitrure de gallium (InGaN), gallium-arséniure-phosphure (GaAsP), et gallium-phosphure (GaP).

À la fin des années 1960, les propriétés conductrices de GaAs étaient également étudiées dans le cadre de sources d'énergie solaire pour l'exploration spatiale. En 1970, une équipe de recherche soviétique a créé les premières cellules solaires à hétérostructure GaAs.

Critique pour la fabrication de dispositifs optoélectroniques et de circuits intégrés (CI), la demande de plaquettes de GaAs a augmenté à la fin des années 1990 et au début du 21ème siècle en corrélation avec le développement de la communication mobile et des technologies énergétiques alternatives.

Sans surprise, en réponse à cette demande croissante, entre 2000 et 2011, la production mondiale de gallium primaire a plus que doublé, passant d'environ 100 tonnes métriques (MT) par an à plus de 300 tonnes métriques.

Production:

La teneur moyenne en gallium dans la croûte terrestre est estimée à environ 15 parties par million, à peu près similaire au lithium et plus commune que le plomb . Le métal, cependant, est largement dispersé et présent dans quelques corps minéralisés économiquement extractibles.

Jusqu'à 90% du gallium primaire produit est actuellement extrait de la bauxite pendant le raffinage de l'alumine (Al2O3), un précurseur de l' aluminium .

Une petite quantité de gallium est produite comme sous-produit de l' extraction du zinc pendant l'affinage du minerai de sphalérite.

Pendant le procédé Bayer de raffinage du minerai d'aluminium en alumine, le minerai concassé est lavé avec une solution chaude d'hydroxyde de sodium (NaOH). Cela convertit l'alumine en aluminate de sodium, qui se dépose dans des réservoirs tandis que la liqueur d'hydroxyde de sodium qui contient maintenant du gallium est recueillie pour la réutilisation.

Parce que cette liqueur est recyclée, la teneur en gallium augmente après chaque cycle jusqu'à ce qu'elle atteigne un niveau d'environ 100-125 ppm. Le mélange peut ensuite être prélevé et concentré sous forme de gallate par extraction au solvant en utilisant des agents chélatants organiques.

Dans un bain d'électrolyse à des températures de 40 à 60 ° C (104-140 ° F), le gallate de sodium est converti en gallium impur. Après lavage dans de l'acide, celui-ci peut ensuite être filtré à travers des plaques de céramique ou de verre poreuses pour créer 99,9 à 99,99% de gallium métallique.

99,99% est la qualité de précurseur standard pour les applications GaAs, mais de nouvelles utilisations nécessitent des puretés plus élevées qui peuvent être obtenues en chauffant le métal sous vide pour éliminer les éléments volatils ou les méthodes de purification électrochimique et de cristallisation fractionnée.

Au cours de la dernière décennie, une grande partie de la production primaire de gallium dans le monde a été exportée en Chine, qui fournit maintenant environ 70% du gallium mondial. Les autres pays producteurs primaires comprennent l'Ukraine et le Kazakhstan.

Environ 30% de la production annuelle de gallium est extraite des rebuts et des matériaux recyclables tels que les plaquettes IC contenant du GaAs. La majeure partie du recyclage du gallium a lieu au Japon, en Amérique du Nord et en Europe.

Le US Geological Survey estime que 310MT de gallium raffiné ont été produits en 2011.

Zhuhai Fangyuan, Pékin Jiya Semiconductor Materials et Recapture Metals Ltd.

Applications:

Lorsque le gallium allié a tendance à se corroder ou à rendre les métaux comme l' acier cassant. Ce caractère, avec sa température de fusion extrêmement basse, signifie que le gallium est peu utile dans les applications structurelles.

Sous sa forme métallique, le gallium est utilisé dans les soudures et les alliages à faible point de fusion, tels que Galinstan ®, mais on le trouve le plus souvent dans les matériaux semi-conducteurs.

Les principales applications de Gallium peuvent être classées en cinq groupes:

1. Semi-conducteurs: Comptant pour environ 70% de la consommation annuelle de gallium, les plaquettes GaAs sont l'épine dorsale de nombreux appareils électroniques modernes, tels que les smartphones et autres dispositifs de communication sans fil reposant sur l'économie d'énergie et l'amplification des CI GaAs.

2. Diodes électroluminescentes (DEL): Depuis 2010, la demande mondiale de gallium provenant du secteur des DEL aurait doublé, en raison de l'utilisation de DEL à haute luminosité dans les écrans d'affichage mobiles et à écran plat. Le mouvement mondial vers une plus grande efficacité énergétique a également conduit le gouvernement à soutenir l'utilisation de l'éclairage LED par rapport à l'éclairage fluorescent incandescent et compact.

3. Énergie solaire: l'utilisation de Gallium dans les applications d'énergie solaire est axée sur deux technologies:

En tant que cellules photovoltaïques à haut rendement, les deux technologies ont connu du succès dans des applications spécialisées, notamment dans le domaine aérospatial et militaire, mais se heurtent encore à des obstacles à une utilisation commerciale à grande échelle.

4. Matériaux magnétiques: Les aimants permanents à haute résistance sont un élément clé des ordinateurs, des automobiles hybrides, des éoliennes et de divers autres équipements électroniques et automatisés. De petits ajouts de gallium sont utilisés dans certains aimants permanents, y compris les aimants néodyme- fer - bore (NdFeB).

5. Autres applications:

Sources:

Softpedia. Histoire des LED (diodes électroluminescentes).

Source: https://web.archive.org/web/20130325193932/http://gadgets.softpedia.com/news/History-of-LEDs-Light-Emitting-Diodes-1487-01.html

Anthony John Downs (1993), «Chimie de l'aluminium, du gallium, de l'indium et du thallium». Springer, ISBN 978-0-7514-0103-5

Barratt, Curtis A. "Semiconducteurs III-V, une histoire dans les applications RF." ECS Trans . 2009, volume 19, numéro 3, pages 79-84.

Schubert, E. Fred. Diodes électroluminescentes Rensselaer Polytechnic Institute, New York. Mai 2003.

USGS. Résumés des produits minéraux: Gallium.

Source: http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/gallium/index.html

Rapport SM. Métaux secondaires: la relation aluminium-gallium .

URL: www.strategic-metal.typepad.com