ГАЛИЕВ АРСЕНИД: СТРУКТУРА, СВОЙСТВА, ПРИЛОЖЕНИЯ, РИСКОВЕ - ХИМИЯ - 2025

В галиев арсенид неорганично съединение, състояща се от галий атом елемент (Ga) и арсен атом (As). Химическата му формула е GaAs. Това е тъмно сиво твърдо вещество, което може да има синьозелен метален блясък.

Наноструктурите на това съединение са получени с потенциал за различни приложения в много области на електрониката. Той принадлежи към група материали, наречени съединения III-V поради местоположението на неговите елементи в химическата периодична таблица.

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

Това е полупроводников материал, което означава, че може да провежда електричество само при определени условия. Той се използва широко в електронни устройства, като транзистори, GPS, LED светлини, лазери, таблети и смарт телефони.

Той има характеристики, които му позволяват лесно да абсорбира светлина и да я преобразува в електрическа енергия. Поради тази причина се използва в слънчеви клетки на спътници и космически превозни средства.

Той позволява да се генерира радиация, която прониква в различни материали, а също и в живи организми, без да им причинява щети. Изследвано е използването на тип GaAs лазер, който регенерира мускулната маса, увредена от змийска отрова.

Това обаче е токсично съединение и може да причини рак при хора и животни. Електронното оборудване, което се изхвърля на депата, може да отделя опасен арсен и да бъде вредно за здравето на хората, животните и околната среда.

структура

Галиевият арсенид има съотношение 1: 1 между елемент от група III на периодичната таблица и елемент от група V, поради което се нарича съединение III-V.

Смята се за интерметално твърдо вещество, съставено от арсен (As) и галий (Ga) с окислителни състояния, вариращи от Ga ⁽⁰⁾ As ⁽⁰⁾ до Ga ⁽⁺³⁾ As ^(-3).

Галиев арсениден кристал. W. Oelen / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0). Източник: Wikimedia Commons.

номенклатура

• Галиев арсенид
• Галиев моноарсенид

Имоти

Физическо състояние

Тъмно сиво кристално твърдо вещество със синьо-зелен метален блясък или сив прах. Кристалите му са кубични.

GaAs кристали. Отляво: полирана страна. Вдясно: груба страна. Материалист от английската Wikipedia / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0). Източник: Wikimedia Commons.

Молекулно тегло

144,64 g / mol

Точка на топене

1238 ºC

плътност

5,3176 g / cm ³ при 25 ° C.

разтворимост

Във вода: по-малко от 1 mg / mL при 20 ° C.

Химични свойства

Той има хидрат, който може да образува кисели соли. Стабилен е на сух въздух. Във влажен въздух потъмнява.

То може да взаимодейства с пара, киселини и киселинни газове, излъчващи отровни газове наречен арсин, Arsan или арсен хидрид (пепел ₃). Реагира с бази, излъчващи водороден газ.

Нападнат е от концентрирана солна киселина и от халогени. При разтопяване атакува кварца. Ако се намокри, той излъчва мирис на чесън и ако се нагрява до разлагане, той отделя силно токсични арсенови газове.

Други физически свойства

Това е полупроводников материал, което означава, че може да се държи като проводник на електричество или като изолатор в зависимост от условията, на които е подложен, като например електрическото поле, налягане, температура или излъчване, което получава.

Пропаст между електронните ленти

Той има ширина на енергийната междина от 1424 eV (електронни волта). Ширината на енергийната пропаст, забранената лента или обхват е пространството между електронните обвивки на атом.

Колкото по-широка е енергийната пропаст, толкова по-голяма е енергията, необходима на електроните, за да „скочи“ към следващата обвивка и да доведе до промяна на полупроводника в проводящо състояние.

GaAs има по-широка енергийна пропаст от силициевата и това я прави силно устойчива на радиация. Той също е пряка ширина на пролуката, така че може да излъчва светлина по-ефективно от силиция, чиято ширина на празнината е косвена.

Получаване

Тя може да бъде получена чрез пропускане на газообразен смес от водород (Н ₂) и арсен над галий (III) оксид (Ga ₂ O ₃) при 600 ° С

Тя може също така да бъде получено чрез взаимодействие между галий хлорид (III) (GaCl ₃) и арсен оксид (As ₂ O ₃) при 800 ° С

Използване в слънчеви клетки

Галиевият арсенид се използва в слънчевите клетки от 70-те години на миналия век, тъй като притежава изключителни фотоволтаични характеристики, които му дават предимство пред останалите материали.

Той се справя по-добре от силиция при превръщането на слънчевата енергия в електричество, доставяйки повече енергия при условия на висока топлина или ниска осветеност, две от често срещаните условия, които издържат слънчевите клетки, при които има промени в осветлението и температурните нива.

Някои от тези слънчеви клетки се използват в автомобили със слънчева енергия, космически превозни средства и сателити.

Соларни клетки GaAs на малък сателит. Военноморска академия на САЩ / Обществено достояние. Източник: Wikimedia Commons.

Предимства на GaAs за това приложение

Той е устойчив на влага и ултравиолетово лъчение, което го прави по-издръжлив срещу условията на околната среда и позволява използването му в аерокосмически приложения.

Той има нисък температурен коефициент, така че не губи ефективност при високи температури и издържа на високи натрупани дози радиация. Радиационните повреди могат да бъдат отстранени чрез закаляване само при 200 ° C.

Той има висок коефициент на абсорбция на фотони светлина, така че има висока производителност при слаба светлина, тоест губи много малко енергия, когато има лоша осветеност от слънцето.

Слънчевите клетки GaAs са ефективни дори при слаба светлина. Автор: Арек Соча. Източник: Pixabay

Той произвежда повече енергия на единица площ, отколкото всяка друга технология. Това е важно, когато имате малка площ като самолети, превозни средства или малки спътници.

Това е гъвкав материал с ниско тегло и е ефективен дори когато се прилага в много тънки слоеве, което прави слънчевата клетка много лека, гъвкава и ефективна.

Слънчеви клетки за космически превозни средства

Космическите програми използват слънчеви клетки GaAs повече от 25 години.

Комбинацията от GaAs с други съединения на германий, индий и фосфор даде възможност да се получат слънчеви клетки с висока ефективност, които се използват в превозни средства, които изследват повърхността на планетата Марс.

Версия на изпълнителя на роувъра „Любопитство“ на Марс. Това устройство има слънчеви клетки GaAs. НАСА / JPL-Caltech / Public domain. Източник: Wikimedia Commons.

Недостатък на GaAs

Той е много скъп материал в сравнение със силиция, който е основната пречка за практическото му прилагане в наземните слънчеви клетки.

Въпреки това се изучават методи за тяхното използване в изключително тънки слоеве, което ще намали разходите.

Използвайте в електронни устройства

GaAs има многобройни приложения в различни електронни устройства.

В транзистори

Транзисторите са елементи, които служат за усилване на електрически сигнали и за отваряне или затваряне на вериги, наред с други приложения.

Използван в транзисторите, GaAs има по-висока електронна подвижност и по-голямо съпротивление от силиция, така че толерира по-висока енергия и по-високи честотни условия, генерира по-малко шум.

GaAs транзистор, използван за усилване на мощността. Epop / CC0. Източник: Wikimedia Commons.

На GPS

През 80-те години използването на това съединение позволи миниатюризацията на приемниците на Global Positioning System или GPS (Global Positioning System).

Тази система дава възможност да се определи положението на обект или човек на цялата планета с точност от сантиметри.

Галиевият арсенид се използва в GPS системи. Автор: Foundry Co. Източник: Pixabay.

В оптоелектронните устройства

Филмите GaAs, получени при сравнително ниски температури, имат отлични оптоелектронни свойства, като високо съпротивление (изисква висока енергия, за да се превърне в проводник) и бърз пренос на електрон.

Неговата пряка енергийна пропаст го прави подходящ за използване в този тип устройства. Те са устройства, които преобразуват електрическата енергия в сияйна енергия или обратно, като LED светлини, лазери, детектори, светодиоди и др.

LED фенерче. Може да съдържа галиев арсенид. Автор: Хеби Б. Източник: Pixabay.

При специално излъчване

Свойствата на това съединение са предизвикали използването му за генериране на радиация с честоти на терагерц, които са радиация, която може да проникне във всички видове материали, с изключение на металите и водата.

Терагерцовото лъчение, тъй като е нейонизиращо, може да се прилага при получаване на медицински изображения, тъй като не уврежда тъканите на тялото или не причинява промени в ДНК като рентгенови лъчи.

Тези излъчвания също биха дали възможност за откриване на скрити оръжия в хора и багаж, могат да бъдат използвани в методите на спектроскопски анализ в химията и биохимията и биха могли да помогнат за разкриването на скрити произведения на изкуството в много стари сгради.

Потенциално медицинско лечение

Показано е, че тип GaAs лазер е полезен за подобряване на регенерацията на мускулна маса, увредена от вид змийска отрова при мишки. Необходими са обаче изследвания, за да се определи неговата ефективност при хора.

Различни екипи

Използва се като полупроводник в устройства за магнитоустойчивост, термистори, кондензатори, фотоелектронно влакно оптично предаване на данни, микровълни, интегрални схеми, използвани в устройства за сателитна комуникация, радарни системи, смартфони (4G технология) и таблети.

Електронните схеми в смартфоните могат да съдържат GaAs. Автор: Арек Соча. Източник: Pixabay

Рискове

Това е силно токсично съединение. Продължителното или многократно излагане на този материал причинява увреждане на тялото.

Симптомите на експозиция могат да включват хипотония, сърдечна недостатъчност, припадъци, хипотермия, парализа, респираторен оток, цианоза, цироза на черния дроб, увреждане на бъбреците, хематурия и левкопения, много други.

Може да причини рак и да повреди плодородието. Той е токсичен и канцерогенен и за животни.

Опасни отпадъци

Нарастващата употреба на GaAs в електронни устройства породи опасения относно съдбата на този материал в околната среда и потенциалните рискове за здравето на обществото и околната среда.

Съществува латентен риск от отделяне на арсен (токсичен и отровен елемент), когато устройства, съдържащи GaAs, се изхвърлят в депата за твърди битови отпадъци.

Проучванията показват, че pH и окислително-възстановителните условия на депата са важни за корозия и освобождаване на арсен GaAs. При рН 7,6 и в нормална кислородна атмосфера могат да се отделят до 15% от този токсичен металоид.

Електронното оборудване не трябва да се изхвърля на сметищата, тъй като GaAs може да освободи токсичния арсен. Автор: INESby. Източник: Pixabay

Препратки

1. Национална медицинска библиотека на САЩ. (2019). Галиев арсенид. Възстановени от pubchem.ncbi.nlm.nih.gov.
2. Choudhury, SA и др. (2019). Метални наноструктури за слънчеви клетки. В наноматериали за приложения на слънчеви клетки. Възстановени от sciencedirect.com.
3. Ramos-Ruiz, A. et al. (2018). Галиев арсенид (GaAs) извличане поведение и повърхностни промени химия в отговор на рН и О ₂. Управление на отпадъците 77 (2018) 1-9. Възстановени от sciencedirect.com.
4. Schlesinger, TE (2001). Галиев арсенид. В Енциклопедия на материалите: Наука и технологии. Възстановени от sciencedirect.com.
5. Mylvaganam, K. et al. (2015). Твърди тънки филми. GaAs филм. Свойства и производство. В антиабразивни нанопокрития. Възстановени от sciencedirect.com.
6. Lide, DR (редактор) (2003). CRC Наръчник по химия и физика. 85 ^-та CRC Press.
7. Elinoff, G. (2019). Галиев арсенид: друг играч в полупроводниковите технологии. Възстановено от allaboutcircuits.com.
8. Silva, LH et al. (2012 г.). Лазерното облъчване GaAs 904 nm подобрява възстановяването на масата на миофибър при регенерация на скелетния мускул, по-рано повреден от кротоксин. Лазери Med Sci 27, 993-1000 (2012). Възстановено от link.springer.com.
9. Лий, S.-M. и др. (2015). Свръх тънки GaAs слънчеви клетки, активирани с хетерогенно интегрирани диелектрични периодични наноструктури. ACS Nano. 2015 октомври 27; 9 (10): 10356-65. Възстановени от ncbi.nlm.nih.gov.
10. Танака, А. (2004). Токсичност на индиев арсенид, галиев арсенид и алуминиев галиев арсенид. Toxicol Appl Pharmacol. 2004 август 1; 198 (3): 405-11. Възстановени от ncbi.nlm.nih.gov.