АРСЕНИД ГАЛЛИЯ: СТРУКТУРА, СВОЙСТВА, ПРИМЕНЕНИЕ, РИСКИ - ХИМИЯ - 2025

Арсенида галлия неорганического соединения , состоящей из атома галлия элемента (Ga) и атома мышьяка (As). Его химическая формула - GaAs. Это темно-серое твердое вещество, которое может иметь сине-зеленый металлический блеск.

Наноструктуры этого соединения были получены с потенциалом для различных применений во многих областях электроники. Он принадлежит к группе материалов, называемых соединениями III-V, из-за расположения его элементов в химической таблице Менделеева.

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

Это полупроводниковый материал, а это означает, что он может проводить электричество только при определенных условиях. Он широко используется в электронных устройствах, таких как транзисторы, GPS, светодиодные фонари, лазеры, планшеты и смартфоны.

Он обладает характеристиками, которые позволяют ему легко поглощать свет и преобразовывать его в электрическую энергию. По этой причине он используется в солнечных элементах спутников и космических аппаратов.

Это позволяет генерировать излучение, проникающее через различные материалы, а также живые организмы, не причиняя им вреда. Было изучено использование типа лазера на основе GaAs, который восстанавливает мышечную массу, поврежденную змеиным ядом.

Однако это токсичное соединение, которое может вызывать рак у людей и животных. Электронное оборудование, выбрасываемое на свалки, может выделять опасный мышьяк и быть вредным для здоровья людей, животных и окружающей среды.

Структура

Арсенид галлия имеет соотношение 1: 1 между элементом III группы периодической таблицы и элементом V группы, поэтому его называют соединением III-V.

Он считается твердым интерметаллидом, состоящим из мышьяка (As) и галлия (Ga), со степенью окисления от Ga ⁽⁰⁾ As ⁽⁰⁾ до Ga ⁽⁺³⁾ As ^(-3) .

Кристалл арсенида галлия. W. Oelen / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0). Источник: Wikimedia Commons.

Номенклатура

• Арсенид галлия
• Моноарсенид галлия

свойства

Физическое состояние

Темно-серое кристаллическое вещество с сине-зеленым металлическим блеском или серый порошок. Его кристаллы кубические.

Кристаллы GaAs. Слева: полированная сторона. Справа: грубая сторона. Специалист по материалам в английской Википедии / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0). Источник: Wikimedia Commons.

Молекулярный вес

144,64 г / моль

Температура плавления

1238 ºC

плотность

5,3176 г / см ³ при 25 ° С.

Растворимость

В воде: менее 1 мг / мл при 20 ° C.

Химические свойства

Он имеет гидрат, который может образовывать кислые соли. Устойчив в сухом воздухе. Во влажном воздухе темнеет.

Он может реагировать с паром, кислотами и кислыми газами, выделяя ядовитый газ, называемый арсином, арсаном или гидридом мышьяка (AsH ₃ ). Реагирует с основаниями с выделением газообразного водорода.

Он подвержен действию концентрированной соляной кислоты и галогенов. В расплавленном состоянии атакует кварц. Если он намокнет, он испускает запах чеснока, а при нагревании до разложения выделяет высокотоксичные газы мышьяка.

Другие физические свойства

Это полупроводниковый материал, что означает, что он может вести себя как проводник электричества или как изолятор в зависимости от условий, которым он подвергается, таких как электрическое поле, давление, температура или излучение, которое он получает.

Разрыв между электронными группами

Он имеет ширину запрещенной зоны 1424 эВ (электрон-вольт). Ширина запрещенной зоны или запрещенной зоны - это пространство между электронными оболочками атома.

Чем шире энергетическая щель, тем больше энергии требуется электронам, чтобы «перескочить» на следующую оболочку и вызвать переход полупроводника в проводящее состояние.

GaAs имеет более широкую запрещенную зону, чем кремний, что делает его очень стойким к излучению. Это также ширина прямого зазора, поэтому он может излучать свет более эффективно, чем кремний, ширина зазора которого непрямая.

получение

Его можно получить, пропуская газовую смесь водорода (H ₂ ) и мышьяка над оксидом галлия (III) (Ga ₂ O ₃ ) при 600 ° C.

Его также можно получить реакцией между хлоридом галлия (III) (GaCl ₃ ) и оксидом мышьяка (As ₂ O ₃ ) при 800 ° C.

Использование в солнечных элементах

Арсенид галлия используется в солнечных элементах с 1970-х годов, так как он обладает выдающимися фотоэлектрическими характеристиками, которые дают ему преимущество перед другими материалами.

Он лучше, чем кремний, преобразует солнечную энергию в электричество, доставляя больше энергии в условиях высокой температуры или низкой освещенности - двух обычных условий, в которых работают солнечные элементы, когда есть изменения уровня освещения и температуры.

Некоторые из этих солнечных элементов используются в автомобилях, космических аппаратах и ​​спутниках на солнечных батареях.

Солнечные элементы из GaAs на небольшом спутнике. Военно-морская академия США / общественное достояние. Источник: Wikimedia Commons.

Преимущества GaAs для этого приложения

Он устойчив к влаге и ультрафиолетовому излучению, что делает его более устойчивым к условиям окружающей среды и позволяет использовать его в аэрокосмической отрасли.

Он имеет низкий температурный коэффициент, поэтому не теряет эффективности при высоких температурах и выдерживает высокие накопленные дозы радиации. Радиационные повреждения могут быть устранены отпуском при температуре всего 200 ° C.

Он имеет высокий коэффициент поглощения фотонов света, поэтому он имеет высокие характеристики при слабом освещении, то есть он теряет очень мало энергии при плохом освещении от солнца.

Солнечные элементы на основе GaAs эффективны даже при слабом освещении. Автор: Арек Соха. Источник: Pixabay.

Он производит больше энергии на единицу площади, чем любая другая технология. Это важно, если у вас небольшая территория, например самолет, транспорт или небольшие спутники.

Это гибкий и легкий материал, который эффективен даже при нанесении очень тонкими слоями, что делает солнечный элемент очень легким, гибким и эффективным.

Солнечные батареи для космических аппаратов

В космических программах солнечные элементы на основе GaAs используются более 25 лет.

Комбинация GaAs с другими соединениями германия, индия и фосфора позволила получить солнечные элементы с очень высокой эффективностью, которые используются в транспортных средствах, исследующих поверхность планеты Марс.

Художественная версия марсохода Curiosity на Марсе. Это устройство имеет солнечные элементы из GaAs. НАСА / Лаборатория реактивного движения-Калтех / Общественное достояние. Источник: Wikimedia Commons.

Недостаток GaAs

Это очень дорогой материал по сравнению с кремнием, который является основным препятствием для его практического применения в наземных солнечных элементах.

Однако изучаются методы их использования в чрезвычайно тонких слоях, что снизит затраты.

Использование в электронных устройствах

GaAs имеет множество применений в различных электронных устройствах.

В транзисторах

Транзисторы - это элементы, которые служат, помимо прочего, для усиления электрических сигналов и размыкания или замыкания цепей.

Используемый в транзисторах GaAs имеет более высокую подвижность электронов и более высокое удельное сопротивление, чем кремний, поэтому он выдерживает условия более высокой энергии и более высокой частоты, генерируя меньше шума.

GaAs-транзистор, используемый для усиления мощности. Epop / CC0. Источник: Wikimedia Commons.

По GPS

В 1980-х годах использование этого соединения позволило миниатюризировать приемники Глобальной системы позиционирования или GPS (Глобальная система позиционирования).

Эта система дает возможность определять положение объекта или человека на всей планете с точностью до сантиметров.

Арсенид галлия используется в системах GPS. Автор: Foundry Co. Источник: Pixabay.

В оптоэлектронных устройствах

Пленки GaAs, полученные при относительно низких температурах, обладают превосходными оптоэлектронными свойствами, такими как высокое удельное сопротивление (требуется большая энергия, чтобы стать проводником) и быстрый перенос электронов.

Прямой энергетический зазор делает его пригодным для использования в устройствах этого типа. Это устройства, которые преобразуют электрическую энергию в энергию излучения или наоборот, такие как светодиодные фонари, лазеры, детекторы, светодиоды и т. Д.

Светодиодный фонарик. Может содержать арсенид галлия. Автор: Хеби Б. Источник: Pixabay.

В специальной радиации

Свойства этого соединения побудили его использовать для генерации излучения с частотами терагерцового диапазона, которые являются излучением, которое может проникать через все типы материалов, кроме металлов и воды.

Поскольку терагерцовое излучение не ионизирует, его можно применять для получения медицинских изображений, поскольку оно не повреждает ткани тела и не вызывает изменений в ДНК, подобных рентгеновскому излучению.

Эти излучения также позволят обнаруживать скрытое оружие в людях и багаже, могут быть использованы в методах спектроскопического анализа в химии и биохимии и могут помочь обнаружить скрытые произведения искусства в очень старых зданиях.

Возможное лечение

Было показано, что один тип лазера на основе GaAs полезен для усиления регенерации мышечной массы, поврежденной у мышей из-за яда змеи. Однако необходимы исследования, чтобы определить его эффективность на людях.

Различные команды

Он используется как полупроводник в устройствах магнитосопротивления, термисторах, конденсаторах, фотоэлектронных оптоволоконных устройствах передачи данных, микроволнах, интегральных схемах, используемых в устройствах спутниковой связи, радиолокационных системах, смартфонах (технология 4G) и планшетах.

Электронные схемы в смартфонах могут содержать GaAs. Автор: Арек Соха. Источник: Pixabay.

риски

Это очень токсичное соединение. Продолжительное или повторяющееся воздействие этого материала вызывает повреждение тела.

Симптомы воздействия могут включать гипотензию, сердечную недостаточность, судороги, гипотермию, паралич, отек дыхательных путей, цианоз, цирроз печени, повреждение почек, гематурию и лейкопению, а также многие другие.

Это может вызвать рак и повредить фертильность. Он токсичен и канцерогенен также для животных.

Опасные отходы

Растущее использование GaAs в электронных устройствах вызывает опасения относительно судьбы этого материала в окружающей среде и его потенциальных рисков для здоровья населения и окружающей среды.

При утилизации устройств, содержащих GaAs, на свалках твердых бытовых отходов существует скрытый риск выделения мышьяка (токсичного и ядовитого элемента).

Исследования показывают, что pH и окислительно-восстановительные условия на свалках важны для коррозии GaAs и выделения мышьяка. При pH 7,6 и нормальной кислородной атмосфере может выделяться до 15% этого токсичного металлоида.

Электронное оборудование не следует выбрасывать на свалки, поскольку GaAs может выделять токсичный мышьяк. Автор: INESby. Источник: Pixabay.

Ссылки

1. Национальная медицинская библиотека США. (2019). Арсенид галлия. Получено с pubchem.ncbi.nlm.nih.gov.
2. Чоудхури С.А. и др. (2019). Металлические наноструктуры для солнечных батарей. В наноматериалах для солнечных батарей. Восстановлено с sciencedirect.com.
3. Рамос-Руис, А. и др. (2018). Поведение арсенида галлия (GaAs) при выщелачивании и химический состав поверхности изменяются в зависимости от pH и O ₂ . Управление отходами 77 (2018) 1-9. Восстановлено с sciencedirect.com.
4. Шлезингер Т.Э. (2001). Арсенид галлия. В энциклопедии материалов: наука и техника. Восстановлено с sciencedirect.com.
5. Mylvaganam, K. et al. (2015). Твердые тонкие пленки. Пленка GaAs. Недвижимость и продукция. В антиабразивных нанопокрытиях. Восстановлено с sciencedirect.com.
6. Лиде, Д.Р. (редактор) (2003). CRC Справочник по химии и физике. 85- ^е издание CRC Press.
7. Елинов, Г. (2019). Арсенид галлия: еще один игрок в полупроводниковой технологии. Восстановлено с allaboutcircuits.com.
8. Silva, LH et al. (2012). Облучение GaAs 904-нм лазером улучшает восстановление массы миофибр во время регенерации скелетных мышц, ранее поврежденных кротоксином. Lasers Med Sci 27, 993-1000 (2012). Восстановлено с link.springer.com.
9. Ли, С.-М. и другие. (2015). Высокоэффективные ультратонкие солнечные элементы на основе GaAs с гетерогенно интегрированными диэлектрическими периодическими наноструктурами. ACS Nano. 2015 окт 27; 9 (10): 10356-65. Восстановлено с ncbi.nlm.nih.gov.
10. Танака, А. (2004). Токсичность арсенида индия, арсенида галлия и арсенида алюминия-галлия. Toxicol Appl Pharmacol. 2004 Aug 1; 198 (3): 405-11. Восстановлено с ncbi.nlm.nih.gov.