ארציייד גליאלי: מבנה, תכונות, שימושים, סיכונים - כִּימִיָה - 2025

הארסינה של גליום היא תרכובת אורגנית המורכבת מאלמנט אטום גליום (Ga) ואטום ארסן (As). הנוסחה הכימית שלה היא GaAs. זהו מוצק בצבע אפור כהה שיכול להיות בגוון מתכתי ירוק-כחול.

ננו-מבנים של תרכובת זו הושגו עם פוטנציאל לשימושים שונים בתחומים רבים של אלקטרוניקה. הוא שייך לקבוצת חומרים הנקראים תרכובות III-V עקב מיקום היסודות שלה בטבלה המחזורית הכימית.

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

זהו חומר מוליך למחצה, כלומר הוא יכול להוליך חשמל רק בתנאים מסוימים. הוא נמצא בשימוש נרחב במכשירים אלקטרוניים, כגון טרנזיסטורים, GPS, נורות LED, לייזרים, טאבלטים וטלפונים חכמים.

יש לו מאפיינים המאפשרים לו לקלוט אור ולהמיר אותו לאנרגיה חשמלית. מסיבה זו הוא משמש בתאים סולאריים של לוויינים ורכבי שטח.

זה מאפשר יצירת קרינה החודרת לחומרים שונים וגם אורגניזמים חיים, מבלי לגרום להם נזק. נבדק השימוש בסוג לייזר GaAs המחודש את מסת השריר שנפגעה מארס הנחש.

עם זאת, מדובר בתרכובת רעילה ויכולה לגרום לסרטן אצל בני אדם ובעלי חיים. ציוד אלקטרוני שמושלך במזבלות יכול לשחרר ארסן מסוכן ולהזיק לבריאות האנשים, בעלי החיים והסביבה.

מִבְנֶה

לגליניום ארסניד יחס 1: 1 בין יסוד מקבוצה III של הטבלה המחזורית לבין יסוד מקבוצה V, וזו הסיבה שהוא מכונה תרכובת III-V.

זה נחשב כמוצק אינטר-מטאלי המורכב מארסן (As) וגליום (Ga) עם מצבי חמצון הנעים בין Ga ⁽⁰⁾ As ⁽⁰⁾ ל- Ga ⁽⁺³⁾ As ^(-3) .

גביש גליניום ארסניד. וו. Oelen / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0). מקור: Wikimedia Commons.

מִנוּחַ

• גליום ארסניד
• גליום מונוארסניד

נכסים

מצב פיזי

מוצק גבישי בצבע אפור כהה עם ברק מתכתי-ירוק או אבקה אפורה. גבישיה מעוקבים.

גבישים של GaAs. משמאל: צד מלוטש. מימין: צד מחוספס. מדעני חומרים בוויקיפדיה האנגלית / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0). מקור: Wikimedia Commons.

משקל מולקולרי

144.64 גרם / מול

נקודת המסה

1238 מעלות צלזיוס

צְפִיפוּת

5.3176 גרם / ס"מ ³ בטמפרטורה של 25 מעלות צלזיוס.

מְסִיסוּת

במים: פחות מ -1 מ"ג / מ"ל ​​בטמפרטורה של 20 מעלות צלזיוס.

תכונות כימיות

יש לו hydrat שיכול ליצור מלחי חומצה. זה יציב באוויר יבש. באוויר לח זה מחשיך.

זה יכול להגיב עם קיטור, חומצות וגזי חומצה, ופולט את הגז הרעיל הנקרא ארסין, ארסן או ארסן הידריד (AsH ₃ ). מגיב עם בסיסים הפולטים גז מימן.

הוא מותקף על ידי חומצה הידרוכלורית מרוכזת ועל ידי הלוגנים. כאשר מותך הוא תוקף את קוורץ. אם הוא נרטב, הוא משחרר ריח שום ואם הוא מחומם לפירוק הוא פולט גזי ארסן רעילים ביותר.

תכונות פיזיות אחרות

זהו חומר מוליך למחצה, שפירושו שהוא יכול להתנהג כמוליך חשמל או כמבודד בהתאם לתנאים אליהם הוא נתון, כמו השדה החשמלי, לחץ, טמפרטורה או קרינה שהוא מקבל.

פער בין להקות אלקטרוניות

יש לו רוחב פער אנרגיה של 1,424 eV (וולט אלקטרוני). רוחב פער האנרגיה, הפס האסור או הפער הפסוק הוא המרווח בין קליפות האלקטרונים של אטום.

ככל שפער האנרגיה רחב יותר, כך האנרגיה הנדרשת על ידי האלקטרונים גדולה יותר "לקפוץ" לקליפה הבאה ולגרום למוליכים למחצה לעבור למצב מוליך.

ל- GaAs יש פער אנרגיה רחב יותר מסיליקון וזה הופך אותו לעמיד ביותר בפני קרינה. זהו גם רוחב פער ישיר, כך שהוא יכול לפלוט אור בצורה יעילה יותר מסיליקון, שרוחב המרווח שלו הוא עקיף.

להשיג

ניתן להשיג אותו על ידי העברת תערובת גזי של מימן (H ₂ ) וארסן מעל תחמוצת גליום (III) (Ga ₂ O ₃ ) על 600 מעלות צלזיוס.

ניתן להכין אותו גם על ידי התגובה בין גליום (III) כלוריד (GaCl ₃ ) לתחמוצת ארסן (כ ₂ O ₃ ) בטמפרטורה של 800 מעלות צלזיוס.

שימוש בתאים סולאריים

ארסניד גליום משמש בתאים סולאריים מאז שנות השבעים, מכיוון שיש לו מאפיינים פוטו-וולטאיים מצטיינים המעניקים לו יתרון על פני חומרים אחרים.

הוא מביא ביצועים טובים יותר מסיליקון בהמרת אנרגיה סולארית לחשמל, ומספק יותר אנרגיה בתנאי חום גבוה או בתנאי אור נמוכים, שניים מהתנאים הנפוצים שתאי השמש סובלים, כאשר יש שינויים ברמות התאורה ובטמפרטורה.

חלק מתאי השמש הללו משמשים במכוניות המונעות על ידי השמש, בכלי רכב שטח ולוויינים.

תאי השמש של GaA בלוויין קטן. האקדמיה הימית של ארצות הברית / נחלת הכלל. מקור: Wikimedia Commons.

היתרונות של GaAs ליישום זה

הוא עמיד בפני לחות וקרינה אולטרה סגולה, מה שהופך אותו לעמיד יותר כנגד תנאים סביבתיים ומאפשר להשתמש בו ביישומי חלל.

יש לו מקדם טמפרטורה נמוך, כך שהוא לא מאבד יעילות בטמפרטורות גבוהות ומתנגד למינון קרינה מצטבר גבוה. ניתן להסיר נזקי קרינה על ידי טמפרטורת 200 מעלות צלזיוס בלבד.

יש לו מקדם ספיגה גבוה של פוטונים של אור, כך שהוא בעל ביצועים גבוהים בתאורה נמוכה, כלומר הוא מאבד מעט מאוד אנרגיה כאשר יש תאורה לקויה מהשמש.

תאי השמש של GaA יעילים אפילו באור נמוך. מחבר: ערק סוצ'ה. מקור: Pixabay.

היא מייצרת יותר אנרגיה ליחידת שטח מכל טכנולוגיה אחרת. זה חשוב כשיש לך שטח קטן כמו מטוסים, כלי רכב או לוויינים קטנים.

זהו חומר גמיש ומשקל נמוך, יעיל גם כאשר הוא מיושם בשכבות דקות מאוד, מה שהופך את תא השמש לקליל מאוד, גמיש ויעיל.

תאים סולאריים לרכבי שטח

תוכניות חלל השתמשו בתאי שמש של GaA במשך למעלה מ 25 שנה.

השילוב של GaAs עם תרכובות אחרות של גרמניום, אינדיום וזרחן איפשר להשיג תאי שמש יעילים מאוד מאוד המשמשים בכלי רכב הבוחנים את פני כדור הארץ.

גרסת האמן לרחוב הסקרנות במאדים. למכשיר זה יש תאים סולאריים של GaAs. NASA / JPL-Caltech / רשות הרבים. מקור: Wikimedia Commons.

החיסרון של GaAs

זהו חומר יקר מאוד בהשוואה לסיליקון, שהיווה את המכשול העיקרי ליישום מעשי בתאי שמש יבשתיים.

עם זאת, נלמדות שיטות לשימוש בשכבות דקות במיוחד, מה שיפחית את העלויות.

השתמש במכשירים אלקטרוניים

ל- GaAs שימושים רבים במכשירים אלקטרוניים שונים.

בטרנזיסטורים

טרנזיסטורים הם אלמנטים המשמשים להגברת אותות חשמליים ומעגלים פתוחים או סגורים, בין שימושים אחרים.

בשימוש בטרנזיסטורים, ל- GaAs יש ניידות אלקטרונית גבוהה יותר ועמידות גבוהה יותר מסיליקון, כך שהוא סובל תנאים של אנרגיה גבוהה יותר ותדירות גבוהה יותר, ויוצר פחות רעש.

טרנזיסטור GaA המשמש להגברת הכוח. Epop / CC0. מקור: Wikimedia Commons.

ב- GPS

בשנות השמונים השימוש במתחם זה איפשר מינורוזציה של מקלטים או מערכת GPS (Global Positioning System).

מערכת זו מאפשרת לקבוע את מיקומו של חפץ או אדם על פני כדור הארץ כולו ברמת דיוק של סנטימטרים.

גליניום ארסניד משמש במערכות GPS. מחבר: Foundry Co. מקור: Pixabay.

במכשירים אופטואלקטריים

לסרטי GaAs המתקבלים בטמפרטורות נמוכות יחסית יש תכונות אופטו-אלקטרוניות מצוינות, כמו התנגדות גבוהה (דורשת אנרגיה גבוהה כדי להיות מוליך) והעברת אלקטרונים מהירה.

פער האנרגיה הישיר שלו הופך אותו מתאים לשימוש במכשירים מסוג זה. מדובר במכשירים שהופכים אנרגיה חשמלית לאנרגיה קורנת או להפך, כמו נורות לד, לייזרים, גלאים, דיודות פולטות אור וכו '.

פנס לד. עשוי להכיל ארציניד גליום. מחבר: Hebi B. מקור: Pixabay.

בקרינה מיוחדת

תכונותיו של תרכובת זו הובילו את השימוש בה לייצור קרינה בתדרי טרהרץ, שהן קרינה שיכולה לחדור לכל סוגי החומרים למעט מתכות ומים.

קרינה של Terahertz, מכיוון שהיא לא מייננת, ניתנת ליישום בקבלת תמונות רפואיות, מכיוון שהיא אינה פוגעת ברקמות הגוף או גורמת לשינויים ב- DNA כמו קרני רנטגן.

קרינות אלה יאפשרו גם לאתר נשק נסתר באנשים ומזוודות, ניתן להשתמש בהן בשיטות ניתוח ספקטרוסקופיות בכימיה וביוכימיה, ויכולות לעזור לחשוף יצירות אמנות נסתרות במבנים ישנים מאוד.

טיפול רפואי אפשרי

הוכח כי סוג לייזר של GaAs מועיל בשיפור ההתחדשות של מסת שריר שנפגעת מסוג ארס נחשים בעכברים. עם זאת, מחקרים נדרשים כדי לקבוע את יעילותו אצל בני אדם.

צוותים שונים

הוא משמש כמוליך למחצה במכשירי מגנט-התנגדות, תרמיסטורים, קבלים, העברת נתונים סיבים אופטיים פוטואלקטוניים, מיקרוגלים, מעגלים משולבים המשמשים במכשירים לתקשורת לוויינית, מערכות רדאר, סמארטפונים (טכנולוגיית 4G) וטאבלטים.

מעגלים אלקטרוניים בסמארטפונים יכולים להכיל GaAs. מחבר: ערק סוצ'ה. מקור: Pixabay.

סיכונים

זהו תרכובת רעילה ביותר. חשיפה ממושכת או חוזרת ונשנית לחומר זה גורמת נזק לגוף.

תסמינים של חשיפה יכולים לכלול יתר לחץ דם, אי ספיקת לב, פרכוסים, היפותרמיה, שיתוק, בצקת נשימה, ציאנוזה, שחמת הכבד, נזק לכליות, המטוריה ולוקופניה, בקרב רבים אחרים.

זה יכול לגרום לסרטן ולפגוע בפוריות. זה רעיל ומסרטן גם לבעלי חיים.

פסולת מסוכנת

השימוש הגובר ב- GaAs במכשירים אלקטרוניים עורר חששות לגבי גורל חומר זה בסביבה והסיכונים הפוטנציאליים שלו לבריאות הציבור והסביבה.

קיים סיכון סמוי לשחרור ארסן (יסוד רעיל ורעיל) כאשר מכשירים המכילים GaAs מושלכים למזבלות פסולת מוצקה עירונית.

מחקרים מראים כי תנאי החומציות וה- redox במזבלות הם חשובים לקורוזיה של GaAs ולשחרור הארסן. ב- pH 7.6 ותחת אטמוספרת חמצן רגילה, ניתן לשחרר עד 15% מהמטאלואיד הרעיל הזה.

אסור לזרוק ציוד אלקטרוני במזבלות, שכן GaAs יכולים לשחרר את הארסן הרעיל. מחבר: אינסבי. מקור: Pixabay.

הפניות

1. הספרייה הלאומית לרפואה בארה"ב. (2019). גליום ארסניד. התאושש מ- pubchem.ncbi.nlm.nih.gov.
2. Choudhury, SA ואח '. (2019). ננו-מבנים מתכתיים לתאי שמש. בננו-חומרים ליישומי תאים סולאריים. התאושש מ- sciencedirect.com.
3. ראמוס-רויז, א 'ואח'. (2018). התנהגות דליפת גליניום ארסניד (GaAs) וכימיה על פני השטח בתגובה ל- pH ו- O ₂ . ניהול פסולת 77 (2018) 1-9. התאושש מ- sciencedirect.com.
4. שלזינגר, TE (2001). גליום ארסניד. באנציקלופדיה של חומרים: מדע וטכנולוגיה. התאושש מ- sciencedirect.com.
5. Mylvaganam, K. et al. (2015). סרטים דקים וקשים. סרט GaAs. נכסים וייצור. בנאנו-ציפויים נגד שחיקה. התאושש מ- sciencedirect.com.
6. Lide, DR (עורכת) (2003). מדריך CRC לכימיה ופיזיקה. 85 ^ה CRC Press.
7. אלינוף, ג '(2019). גליום ארסניד: שחקן נוסף בטכנולוגיית מוליכים למחצה. התאושש ב- allaboutcircuits.com.
8. סילבה, LH ואח '. (2012). הקרנת לייזר של GaAs 904 ננומטר משפרת את התאוששות המסה של פי הטבעת במהלך התחדשות שרירי השלד שנפגעו בעבר בגלל קרוטוקסין. לייזרים מד Sci 27, 993-1000 (2012). התאושש מ- link.springer.com.
9. Lee, S.-M. ואח '. (2015). תאים סולאריים עם ביצועים גבוהים Ultrathin GaA מופעלים עם מבנים ננו-תקופתיים דיאלקטריים משולבים הטרוגניים. ACS ננו. 2015 27 באוקטובר; 9 (10): 10356-65. התאושש ב- ncbi.nlm.nih.gov.
10. Tanaka, A. (2004). רעילות של אינדיום ארסניד, גליום ארסניד ואלומיניום גליום ארסניד. Toxicol Appl Pharmacol. 2004 1 באוגוסט; 198 (3): 405-11. התאושש ב- ncbi.nlm.nih.gov.