ARSENID DE GALIU: STRUCTURĂ, PROPRIETĂȚI, UTILIZĂRI, RISCURI - CHIMIE - 2025

Galiu arseniura un compus anorganic format din elementul atom galiu (Ga) și un atom de arsenic (As). Formula sa chimică este GaAs. Este un solid gri închis care poate avea un strălucire metalică albastru-verde.

Nanostructurile acestui compus au fost obținute cu potențial pentru diferite utilizări în multe domenii ale electronicii. Aparține unui grup de materiale numite compuși III-V datorită localizării elementelor sale în tabelul periodic chimic.

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

Este un material semiconductor, ceea ce înseamnă că poate conduce electricitate numai în anumite condiții. Este utilizat pe scară largă în dispozitive electronice, precum tranzistoare, GPS, lumini LED, lasere, tablete și telefoane inteligente.

Are caracteristici care îi permit să absoarbă ușor lumina și să o transforme în energie electrică. Din acest motiv este utilizat în celulele solare ale sateliților și vehiculelor spațiale.

Permite generarea de radiații care pătrund în diverse materiale și, de asemenea, organisme vii, fără a le provoca daune. A fost studiată utilizarea unui tip de laser GaAs care regenerează masa musculară deteriorată de veninul de șarpe.

Cu toate acestea, este un compus toxic și poate provoca cancer la oameni și animale. Echipamentele electronice care sunt aruncate în depozitele de deșeuri pot elibera arsenic periculos și pot dăuna sănătății oamenilor, animalelor și mediului.

Structura

Arsenidul de galiu are un raport 1: 1 între un element din grupa III din tabelul periodic și un element din grupa V, motiv pentru care se numește compusul III-V.

Se consideră un solid intermetalic compus din arsen (As) și galiu (Ga) cu stări de oxidare cuprinse între Ga ⁽⁰⁾ As ⁽⁰⁾ și Ga ⁽⁺³⁾ As ^(-3) .

Cristal de arsenidă de galiu. W. Oelen / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0). Sursa: Wikimedia Commons.

Nomenclatură

• Arsenidă de galiu
• Monoarsenidă de galiu

Proprietăți

Stare fizică

Solid cristalin gri închis cu luciu metalic albastru-verde sau pulbere gri. Cristalele sale sunt cubice.

Cristale GaAs. Stânga: partea lustruită. Dreapta: partea aspră. Materialist la Wikipedia Wikipedia / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0). Sursa: Wikimedia Commons.

Greutate moleculară

144,64 g / mol

Punct de topire

1238 ºC

Densitate

5.3176 g / cm ³ la 25 ° C

Solubilitate

În apă: mai puțin de 1 mg / ml la 20 ° C.

Proprietăți chimice

Are un hidrat care poate forma săruri acide. Este stabil în aer uscat. În aerul umed se întunecă.

Poate reacționa cu abur, acizi și gaze acide, emițând gazul otrăvitor numit arsină, arsan sau hidrură de arsen (AsH ₃ ). Reacționează cu baze care emit gaz de hidrogen.

Este atacat de acid clorhidric concentrat și de halogeni. Când s-a topit atacă cuarțul. Dacă se ude, degajă un miros de usturoi și dacă este încălzit până la descompunere, emite gaze arsenice foarte toxice.

Alte proprietăți fizice

Este un material semiconductor ceea ce înseamnă că se poate comporta ca un conductor de electricitate sau ca un izolator în funcție de condițiile la care este supus, cum ar fi câmpul electric, presiunea, temperatura sau radiațiile pe care le primește.

Decalaj între benzile electronice

Are o lățime a distanței energetice de 1.424 eV (electroni volți). Lățimea golului de energie, banda interzisă sau banda de bandă este spațiul dintre cojile de electroni ale unui atom.

Cu cât este mai mare decalajul de energie, cu atât este mai mare energia necesară electronilor pentru a „sări” la următoarea carcasă și a face ca semiconductorul să se schimbe într-o stare de conducere.

GaAs are un decalaj energetic mai mare decât siliconul și acest lucru îl face foarte rezistent la radiații. Este, de asemenea, o lățime directă a decalajului, deci poate emite lumină mai eficient decât siliconul, a cărui lățime a golului este indirectă.

Obținerea

Acesta poate fi obținut prin trecerea unui amestec gazos de hidrogen (H ₂ ) și arsen peste galiu oxid (III) (Ga ₂ O ₃ ) la 600 ° C

De asemenea, poate fi preparat prin reacția dintre clorura de galiu (III) (GaCl ₃ ) și oxidul de arsen (As ₂ O ₃ ) la 800 ° C.

Utilizare în celule solare

Arsenidul de galiu a fost utilizat în celulele solare încă din anii ’70, deoarece are caracteristici fotovoltaice deosebite care îi conferă un avantaj față de alte materiale.

Are performanțe mai bune decât siliciul în transformarea energiei solare în energie electrică, furnizând mai multă energie în condiții de căldură ridicată sau de lumină scăzută, două dintre condițiile obișnuite pe care le suportă celulele solare, unde există modificări ale nivelului de iluminare și temperatură.

Unele dintre aceste celule solare sunt utilizate în mașinile cu energie solară, vehiculele spațiale și sateliții.

Celulele solare GaAs pe un satelit mic. Academia Navală a Statelor Unite / domeniul public. Sursa: Wikimedia Commons.

Avantajele GaAs pentru această aplicație

Este rezistent la umiditate și radiații ultraviolete, ceea ce îl face mai durabil împotriva condițiilor de mediu și îi permite să fie utilizat în aplicații aerospațiale.

Are un coeficient de temperatură scăzut, deci nu pierde eficiența la temperaturi ridicate și rezistă la doze mari de radiații acumulate. Deteriorarea radiațiilor poate fi îndepărtată prin temperare la doar 200 ° C.

Are un coeficient ridicat de absorbție a fotonilor de lumină, deci are o performanță ridicată la lumină scăzută, adică pierde foarte puțină energie atunci când există o iluminare slabă de la soare.

Celulele solare GaAs sunt eficiente chiar și la lumină scăzută. Autor: Arek Socha. Sursa: Pixabay.

Produce mai multă energie pe unitate de unitate decât orice altă tehnologie. Acest lucru este important atunci când aveți o zonă mică, cum ar fi aeronave, vehicule sau sateliți mici.

Este un material flexibil și cu greutate redusă, fiind eficient chiar și atunci când este aplicat în straturi foarte subțiri, ceea ce face ca celula solară să fie foarte ușoară, flexibilă și eficientă.

Celule solare pentru vehicule spațiale

Programele spațiale au folosit celule solare GaAs de mai bine de 25 de ani.

Combinația de GaAs cu alți compuși de germaniu, indiu și fosfor a făcut posibilă obținerea de celule solare cu eficiență foarte mare care sunt utilizate în vehiculele care explorează suprafața planetei Marte.

Versiunea artistului a roverului Curiosity de pe Marte. Acest dispozitiv are celule solare de GaAs. NASA / JPL-Caltech / Domeniu public. Sursa: Wikimedia Commons.

Dezavantajul GaAs

Este un material foarte scump în comparație cu siliciu, care a fost principala barieră a implementării sale practice în celulele solare terestre.

Cu toate acestea, sunt studiate metodele de utilizare a acestora în straturi extrem de subțiri, ceea ce va reduce costurile.

Utilizare în dispozitive electronice

GaAs are multiple utilizări în diferite dispozitive electronice.

În tranzistoare

Tranzistoarele sunt elemente care servesc la amplificarea semnalelor electrice și a circuitelor deschise sau închise, printre alte utilizări.

Folosit în tranzistoare, GaAs are o mobilitate electronică mai mare și o rezistivitate mai mare decât siliconul, astfel încât tolerează condiții de energie mai mare și frecvență mai mare, generând mai puțin zgomot.

Tranzistorul GaA utilizat pentru amplificarea puterii. Epop / CC0. Sursa: Wikimedia Commons.

Pe GPS

În anii 1980, utilizarea acestui compus a permis miniaturizarea sistemului de poziționare globală sau a receptorilor GPS (Sistem de poziționare globală).

Acest sistem face posibilă determinarea poziției unui obiect sau a unei persoane pe întreaga planetă cu o precizie de centimetri.

Arsenidul de galiu este utilizat în sistemele GPS. Autor: Foundry Co. Sursa: Pixabay.

În dispozitivele optoelectronice

Filmele GaA obținute la temperaturi relativ scăzute au proprietăți optoelectronice excelente, precum rezistivitate ridicată (necesită energie mare pentru a deveni conductor) și transfer rapid de electroni.

Diferența directă de energie o face potrivită pentru utilizarea acestui tip de dispozitiv. Sunt dispozitive care transformă energia electrică în energie radiantă sau invers, cum ar fi lumini LED, lasere, detectoare, diode care emit lumină etc.

Lanterna cu LED. Poate conține arsenidă de galiu. Autor: Hebi B. Sursa: Pixabay.

În radiații speciale

Proprietățile acestui compus au determinat utilizarea lui pentru a genera radiații cu frecvențe de terahertz, care sunt radiații care pot pătrunde în toate tipurile de materiale, cu excepția metalelor și a apei.

Radiația Terahertz, deoarece este neionizantă, poate fi aplicată la obținerea de imagini medicale, deoarece nu dăunează țesuturilor corpului și nu provoacă modificări ale ADN-ului precum razele X.

Aceste radiații ar face posibilă și detectarea armelor ascunse la oameni și bagaje, pot fi utilizate în metode de analiză spectroscopică în chimie și biochimie și ar putea ajuta la descoperirea operelor de artă ascunse în clădiri foarte vechi.

Tratament medical potențial

S-a dovedit că un tip de laser GaAs este util în îmbunătățirea regenerării masei musculare deteriorate de un tip de venin de șarpe la șoareci. Cu toate acestea, sunt necesare studii pentru a determina eficacitatea acesteia la om.

Diferite echipe

Este utilizat ca semiconductor în dispozitive de magnetorezistență, termistori, condensatori, transmisie de date foto-electronice din fibră optică, microunde, circuite integrate utilizate în dispozitive pentru comunicații prin satelit, sisteme radar, smartphone-uri (tehnologie 4G) și tablete.

Circuitele electronice din smartphone-uri pot conține GaA-uri. Autor: Arek Socha. Sursa: Pixabay.

riscuri

Este un compus foarte toxic. Expunerea prelungită sau repetată la acest material cauzează deteriorarea organismului.

Simptomele expunerii pot include hipotensiune arterială, insuficiență cardiacă, convulsii, hipotermie, paralizie, edem respirator, cianoză, ciroză hepatică, leziuni renale, hematurie și leucopenie, printre multe altele.

Poate provoca cancer și dăuna fertilității. Este toxic și cancerigen și pentru animale.

Deseuri periculoase

Utilizarea din ce în ce mai mare a GAA-urilor în dispozitivele electronice a ridicat îngrijorări cu privire la soarta acestui material în mediu și la riscurile potențiale ale acestuia asupra sănătății publice și a mediului.

Există un risc latent de eliberare de arsen (element toxic și otrăvitor) atunci când dispozitivele care conțin GaAs sunt eliminate în depozitele de deșeuri solide municipale.

Studiile arată că pH-ul și condițiile redox din depozitele de deșeuri sunt importante pentru coroziunea GaAs și eliberarea arsenicului. La pH 7,6 și în atmosferă normală cu oxigen, se pot elibera până la 15% din acest metaloid toxic.

Echipamentele electronice nu trebuie aruncate în depozitele de gunoi, deoarece GAA-urile pot elibera arsenul toxic. Autor: INESby. Sursa: Pixabay.

Referințe

1. Biblioteca Națională de Medicină din SUA. (2019). Arsenidă de galiu. Recuperat din pubchem.ncbi.nlm.nih.gov.
2. Choudhury, SA și colab. (2019). Nanostructuri metalice pentru celule solare. În nanomateriale pentru aplicații cu celule solare. Recuperat de la sciencedirect.com.
3. Ramos-Ruiz, A. și colab. (2018). Arseniura de galiu (GaAs) percolările comportament și de suprafață modificări chimice ca răspuns la pH și O ₂ . Managementul deșeurilor 77 (2018) 1-9. Recuperat de la sciencedirect.com.
4. Schlesinger, TE (2001). Arsenidă de galiu. În Enciclopedia materialelor: știință și tehnologie. Recuperat de la sciencedirect.com.
5. Mylvaganam, K. et al. (2015). Pelicule subțiri dure. Filmul GaAs. Proprietăți și producție. În Nanocoatings anti-abrazive. Recuperat de la sciencedirect.com.
6. Lide, DR (editor) (2003). Manual CRC de Chimie și Fizică. 85 - ^lea CRC Press.
7. Elinoff, G. (2019). Gallium Arsenide: Un alt jucător în tehnologia semiconductorilor. Recuperat de allaboutcircuits.com.
8. Silva, LH și colab. (2012). Iradierea cu laser GaAs 904-nm îmbunătățește recuperarea masei miofiberului în timpul regenerării mușchiului schelet anterior deteriorat de crotoxină. Lasers Med Sci 27, 993-1000 (2012). Recuperat de pe link.springer.com.
9. Lee, S.-M. și colab. (2015). Celule solare cu ultrasunete GaAs de înaltă performanță activate cu nanostructuri periodice dielectrice integrate heterogen. ACS Nano. 2015 27 oct; 9 (10): 10356-65. Recuperat din ncbi.nlm.nih.gov.
10. Tanaka, A. (2004). Toxicitatea arsenidului de indiu, arsenidului de galiu și arsenidei de galiu de aluminiu. Toxicol Appl Pharmacol. 2004 1 august; 198 (3): 405-11. Recuperat din ncbi.nlm.nih.gov.