АРСЕНІД ГАЛІЮ: СТРУКТУРА, ВЛАСТИВОСТІ, ВИКОРИСТАННЯ, РИЗИКИ - ХІМІЯ - 2025

Арсеніду галію неорганічної сполуки , що складається з атома галію елемента (Ga) і атома миш'яку (As). Його хімічна формула - GaAs. Це темно-сірий твердий колір, який може мати синьо-зелений металевий відтінок.

Наноструктури цієї сполуки отримані з потенціалом для різних цілей використання в багатьох областях електроніки. Він належить до групи матеріалів, що називається сполуками III-V завдяки розташуванню його елементів у хімічній періодичній таблиці.

Наноструктури GaAs. Яна Сичикова, Сергій Ковачёв / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0). Джерело: Wikimedia Commons.

Це напівпровідниковий матеріал, а це означає, що він може проводити електрику лише за певних умов. Він широко використовується в електронних пристроях, таких як транзистори, GPS, світлодіодні світильники, лазери, планшети та смартфони.

Він має характеристики, які дозволяють легко поглинати світло і перетворювати його в електричну енергію. З цієї причини його використовують у сонячних батареях супутників та космічних апаратах.

Це дозволяє генерувати радіацію, яка проникає в різні матеріали, а також живі організми, не завдаючи їм шкоди. Досліджено використання типу GaAs лазера, який відновлює м’язову масу, пошкоджену зміїною отрутою.

Однак це токсична сполука і може спричинити рак у людей і тварин. Електронне обладнання, яке утилізується на сміттєзвалищах, може викидати небезпечний миш’як і бути шкідливим для здоров’я людей, тварин та навколишнього середовища.

Будова

Арсенід галію має співвідношення 1: 1 між елементом III групи періодичної таблиці та елементом V групи, тому його називають сполукою III-V.

Вважається інтерметалічним твердим тілом, що складається з миш'яку (As) та галію (Ga) зі станами окислення, починаючи від Ga ⁽⁰⁾ As ⁽⁰⁾ до Ga ⁽⁺³⁾ As ^(-3) .

Кристал арсеніду галію. W. Oelen / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0). Джерело: Wikimedia Commons.

Номенклатура

• Арсенід галію
• Моноарсенід галію

Властивості

Фізичний стан

Темно-сірий кристалічний твердий колір із синьо-зеленим металевим блиском або сірим порошком. Його кристали кубічні.

Кристали GaAs. Зліва: відшліфована сторона. Справа: шорстка сторона. Матеріолог в англійській Вікіпедії / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0). Джерело: Wikimedia Commons.

Молекулярна маса

144,64 г / моль

Точка плавлення

1238 ºC

Щільність

5,3176 г / см ³ при 25 ° С.

Розчинність

У воді: менше 1 мг / мл при 20 ° С.

Хімічні властивості

У ньому є гідрат, який може утворювати солі кислоти. Він стійкий на сухому повітрі. У вологому повітрі темніє.

Він може реагувати з парою, кислотами та кислими газами, виділяючи отруйний газ, який називають арсином, арсаном або гідридом миш'яку (AsH ₃ ). Реагує з основами, що виділяють газ водню.

На нього нападають концентрована соляна кислота та галогени. При розплаві він атакує кварц. Якщо він намокне, він виділяє часниковий запах, а якщо він нагрівається до розкладання, він виділяє дуже токсичні гази миш'яку.

Інші фізичні властивості

Це напівпровідниковий матеріал, який означає, що він може вести себе як провідник електрики або як ізолятор залежно від умов, яким він піддається, таких як електричне поле, тиск, температура або випромінювання, яке він отримує.

Розрив між електронними діапазонами

Він має ширину енергетичного зазору 1424 еВ (електронних вольт). Ширина енергетичного проміжку, забороненої смуги або проміжку - це простір між електронними оболонками атома.

Чим ширший енергетичний проміжок, тим більша енергія, необхідна електронам, щоб "перестрибнути" на наступну оболонку і призвести до того, що напівпровідник зміниться на провідний стан.

GaAs має більш широкий енергетичний проміжок, ніж кремній, і це робить його стійким до випромінювання. Це також пряма ширина зазору, тому він може випромінювати світло ефективніше, ніж кремній, ширина щілини якого непряма.

Отримання

Його можна отримати, пропускаючи газоподібну суміш водню (H ₂ ) та миш'яку над оксидом галію (III) (Ga ₂ O ₃ ) при 600 ° C.

Він також може бути приготований реакцією між галієм (III) хлоридом (GaCl ₃ ) та оксидом миш'яку (As ₂ O ₃ ) при 800 ° C.

Використання в сонячних батареях

Арсенід галію використовується в сонячних елементах з 1970-х років, оскільки він має видатні фотоелектричні характеристики, що дають йому перевагу перед іншими матеріалами.

Він перетворює краще, ніж кремній, перетворюючи сонячну енергію в електроенергію, доставляючи більше енергії в умовах підвищеного тепла або низького освітлення, два загальних умов, які переносять сонячні батареї, коли є зміни рівня освітлення та температури.

Деякі з цих сонячних батарей використовуються в автомобілях, що працюють на сонячних батареях, космічних апаратах та супутниках.

Сонячні батареї GaAs на невеликому супутнику. Військово-морська академія США / Публічне надбання. Джерело: Wikimedia Commons.

Переваги GaAs для цього додатка

Він стійкий до впливу вологи та ультрафіолетового випромінювання, що робить його більш стійким до навколишнього середовища та дозволяє використовувати його в аерокосмічних програмах.

Він має низький температурний коефіцієнт, тому не втрачає ефективності при високих температурах і чинить опір високим накопиченим дозам радіації. Пошкодження радіацією можна усунути, загартовуючи при температурі всього 200 ° C.

У нього високий коефіцієнт поглинання фотонів світла, тому він має високу продуктивність при слабкому освітленні, тобто втрачає дуже мало енергії при поганому освітленні від сонця.

Сонячні батареї GaAs ефективні навіть при слабкому освітленні. Автор: Арек Соча. Джерело: Pixabay.

Він виробляє більше енергії на одиницю площі, ніж будь-яка інша технологія. Це важливо, якщо у вас є невелика територія, наприклад, літак, транспортні засоби або невеликі супутники.

Це гнучкий і мало ваговий матеріал, він ефективний навіть при нанесенні в дуже тонких шарах, що робить сонячну батарею дуже легкою, гнучкою та ефективною.

Сонячні комірки для космічних апаратів

Космічні програми використовують сонячні батареї GaAs більше 25 років.

Поєднання GaAs з іншими сполуками германію, індію та фосфору дозволило отримати сонячні батареї дуже високої ефективності, які використовуються в транспортних засобах, які досліджують поверхню планети Марс.

Версія художника на ровері Curiosity на Марсі. Цей пристрій має сонячні батареї GaAs. NASA / JPL-Caltech / Громадське надбання. Джерело: Wikimedia Commons.

Недолік GaAs

Це дуже дорогий матеріал у порівнянні з кремнієм, який був головним бар'єром на шляху його практичної реалізації в наземних сонячних батареях.

Однак вивчаються методи їх використання в надзвичайно тонких шарах, що зменшить витрати.

Використання в електронних пристроях

GaAs має багаторазове використання в різних електронних пристроях.

У транзисторах

Транзистори - це елементи, які служать для посилення електричних сигналів та відкритих чи закритих ланцюгів, серед іншого.

Застосовується в транзисторах, GaAs має більшу електронну рухливість та більший опір, ніж кремній, тому він переносить умови більш високої енергії та більшої частоти, створюючи менше шуму.

Транзистор GaAs використовується для посилення потужності. Epop / CC0. Джерело: Wikimedia Commons.

На GPS

У 1980-х роках використання цієї сполуки дозволило мініатюризувати приймачі глобальної системи позиціонування або GPS (Global Positioning System).

Ця система дає можливість визначити положення об'єкта чи людини на всій планеті з точністю до сантиметрів.

Арсенід галію використовується в системах GPS. Автор: Foundry Co. Джерело: Pixabay.

В оптоелектронних пристроях

Плівки GaAs, отримані при відносно низьких температурах, мають чудові оптоелектронні властивості, такі як високий опір (для отримання провідника потрібна велика енергія) та швидкий перенос електронів.

Його прямий енергетичний зазор робить його придатним для використання в пристроях такого типу. Це пристрої, які перетворюють електричну енергію в променисту енергію або навпаки, такі як світлодіодні світильники, лазери, детектори, світлодіоди тощо.

Світлодіодний ліхтарик. Може містити арсенід галію. Автор: Хебі Б. Джерело: Pixabay.

У спеціальній радіації

Властивості цієї сполуки спонукали її використання для генерування випромінювання з частотами терагерців, які є випромінюванням, яке може проникати у всі види матеріалів, крім металів та води.

Терагерцеве випромінювання, оскільки воно не є іонізуючим, може застосовуватися при отриманні медичних знімків, оскільки воно не пошкоджує тканини організму і не викликає зміни ДНК, як рентгенівські промені.

Ці випромінювання також дали б можливість виявити приховану зброю в людях та багажі, вони могли бути використані в методах спектроскопічного аналізу в хімії та біохімії та могли б допомогти розкрити приховані твори мистецтва у дуже старих будівлях.

Потенційне медикаментозне лікування

Показано, що тип лазера GaAs є корисним для посилення регенерації м’язової маси, пошкодженої типом зміїної отрути у мишей. Однак необхідні дослідження для визначення його ефективності у людини.

Різні команди

Застосовується як напівпровідник в пристроях магнітоопору, термісторах, конденсаторах, фотоелектронних волоконно-оптичних передачах даних, мікрохвильових печах, інтегральних схемах, що використовуються в пристроях для супутникового зв’язку, радіолокаційних системах, смартфонах (технологія 4G) та планшетах.

Електронні схеми в смартфонах можуть містити GaA. Автор: Арек Соча. Джерело: Pixabay.

Ризики

Це високотоксична сполука. Тривале або повторне потрапляння цього матеріалу завдає шкоди організму.

Симптомами впливу можуть бути гіпотонія, серцева недостатність, судоми, переохолодження, параліч, набряк дихання, ціаноз, цироз печінки, ураження нирок, гематурія та лейкопенія, серед багатьох інших.

Це може спричинити рак і пошкодити фертильність. Він токсичний і канцерогенний також для тварин.

Небезпечні відходи

Зростаюче використання GaA в електронних пристроях викликало занепокоєння щодо долі цього матеріалу в навколишньому середовищі та його потенційних ризиків для здоров'я населення та навколишнього середовища.

Існує прихований ризик викиду миш'яку (токсичний та отруйний елемент), коли прилади, що містять GaAs, утилізуються на сміттєзвалищах твердих побутових відходів.

Дослідження показують, що pH та окислювально-відновлювальні умови на сміттєзвалищах важливі для корозії GaAs та виділення миш'яку. При рН 7,6 і в нормальній атмосфері кисню може виділятися до 15% цього токсичного металоїду.

Електронне обладнання не слід утилізувати на сміттєзвалищах, оскільки GaAs може викидати токсичний миш’як. Автор: INESby. Джерело: Pixabay.

Список літератури

1. Національна медична бібліотека США. (2019). Арсенід галію. Відновлено з pubchem.ncbi.nlm.nih.gov.
2. Choudhury, SA та ін. (2019). Металеві наноструктури для сонячних батарей. У наноматеріалах для застосування сонячних клітин. Відновлено з sciencedirect.com.
3. Рамос-Руїс, А. та ін. (2018). Поведінка вилуговування арсеніду галію (GaAs) та зміни хімії поверхні у відповідь на рН та O ₂ . Поводження з відходами 77 (2018) 1-9. Відновлено з sciencedirect.com.
4. Schlesinger, TE (2001). Арсенід галію. В Енциклопедії матеріалів: Наука та техніка. Відновлено з sciencedirect.com.
5. Мильваганам, К. та ін. (2015). Тверді тонкі плівки. Фільм GaAs. Властивості та виробництво. У антиабразивних нанопокриттях. Відновлено з sciencedirect.com.
6. Lide, DR (редактор) (2003). Посібник з хімії та фізики. 85- ^а преса CRC.
7. Елінофф, Г. (2019). Арсенід галію: ще один гравець у напівпровідниковій технології. Відновлено з allaboutcircuits.com.
8. Silva, LH та ін. (2012 р.). Лазерне опромінення GaAs 904 нм покращує відновлення маси міофібри під час регенерації скелетних м’язів, попередньо пошкоджених кротоксином. Лазери Med Sci 27, 993-1000 (2012). Відновлено з link.springer.com.
9. Лі, С.-М. та ін. (2015). Високопродуктивні сонячні клітини ультратонких GaAs з гетерогенно інтегрованими діелектричними періодичними наноструктурами. ACS Nano. 2015 р. 27 жовтня; 9 (10): 10356-65. Відновлено з ncbi.nlm.nih.gov.
10. Танака, А. (2004). Токсичність арсеніду індію, арсеніду галію та арсеніду галію алюмінію. Toxicol Appl Pharmacol. 2004 р. 1 серпня; 198 (3): 405-11. Відновлено з ncbi.nlm.nih.gov.