ARSENEK GALU: BUDOWA, WŁAŚCIWOŚCI, ZASTOSOWANIA, ZAGROŻENIA - CHEMIA - 2026

Arsenku galu nieorganicznego związku obejmującej atom elementu galu (Ga), arsen (As) atom. Jego wzór chemiczny to GaAs. Jest to ciemnoszare ciało stałe, które może mieć niebiesko-zielony metaliczny połysk.

Uzyskano nanostruktury tego związku, które mogą mieć różne zastosowania w wielu dziedzinach elektroniki. Należy do grupy materiałów zwanych związkami III-V ze względu na położenie jej pierwiastków w chemicznym układzie okresowym.

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

Jest to materiał półprzewodnikowy, co oznacza, że ​​może przewodzić prąd tylko w określonych warunkach. Jest szeroko stosowany w urządzeniach elektronicznych, takich jak tranzystory, GPS, diody LED, lasery, tablety i smartfony.

Posiada właściwości, które pozwalają mu łatwo absorbować światło i zamieniać je na energię elektryczną. Z tego powodu jest stosowany w ogniwach słonecznych satelitów i pojazdów kosmicznych.

Pozwala generować promieniowanie, które przenika różne materiały, a także organizmy żywe, nie powodując ich uszkodzeń. Zbadano zastosowanie pewnego rodzaju lasera GaAs, który regeneruje masę mięśniową uszkodzoną przez jad węża.

Jednak jest to związek toksyczny i może powodować raka u ludzi i zwierząt. Sprzęt elektroniczny, który jest usuwany na wysypiskach śmieci, może uwalniać niebezpieczny arsen i być szkodliwy dla zdrowia ludzi, zwierząt i środowiska.

Struktura

Arsenek galu ma stosunek 1: 1 między pierwiastkiem z grupy III układu okresowego a pierwiastkiem z grupy V, dlatego nazywany jest związkiem III-V.

Uważa się, że jest to ciało stałe międzymetaliczne złożone z arsenu (As) i galu (Ga) o stopniach utlenienia w zakresie od Ga ⁽⁰⁾ As ⁽⁰⁾ do Ga ⁽⁺³⁾ As ^(-3) .

Kryształ arsenku galu. W. Oelen / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0). Źródło: Wikimedia Commons.

Nomenklatura

• Arsenku galu
• Monoarsenek galu

Nieruchomości

Stan fizyczny

Ciemnoszare krystaliczne ciało stałe z niebiesko-zielonym metalicznym połyskiem lub szarym proszkiem. Jego kryształy są sześcienne.

Kryształy GaAs. Po lewej: strona polerowana. Po prawej: szorstka strona. Materiałoznawca w angielskiej Wikipedii / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0). Źródło: Wikimedia Commons.

Waga molekularna

144,64 g / mol

Temperatura topnienia

1238 ºC

Gęstość

5,3176 g / cm ³ w 25 ° C

Rozpuszczalność

W wodzie: mniej niż 1 mg / ml przy 20 ° C

Właściwości chemiczne

Ma hydrat, który może tworzyć sole kwasów. Jest stabilny w suchym powietrzu. W wilgotnym powietrzu ciemnieje.

Może reagować z parą wodną, ​​kwasami i kwaśnymi gazami, emitując trujący gaz zwany arsenem, arsanem lub wodorkiem arsenu (AsH ₃ ). Reaguje z zasadami wydzielającymi gazowy wodór.

Jest atakowany przez stężony kwas solny i halogeny. W stanie stopionym atakuje kwarc. Zamoczony wydziela zapach czosnku, a podgrzany w celu rozkładu wydziela silnie toksyczny arszenik.

Inne właściwości fizyczne

Jest to materiał półprzewodnikowy, co oznacza, że ​​może zachowywać się jak przewodnik prądu elektrycznego lub izolator w zależności od warunków, na jakie jest narażony, takich jak pole elektryczne, ciśnienie, temperatura czy promieniowanie, które otrzymuje.

Przerwa między zespołami elektronicznymi

Ma szerokość przerwy energetycznej 1424 eV (elektronowolty). Szerokość przerwy energetycznej, zabronione pasmo lub pasmo zabronione to przestrzeń między powłokami elektronowymi atomu.

Im szersza przerwa energetyczna, tym większa energia potrzebna elektronom, aby „przeskoczyć” do następnej powłoki i spowodować przejście półprzewodnika w stan przewodzenia.

GaAs ma szerszą przerwę energetyczną niż krzem, co czyni go wysoce odpornym na promieniowanie. Jest to również bezpośrednia szerokość szczeliny, więc może emitować światło skuteczniej niż krzem, którego szerokość szczeliny jest pośrednia.

Otrzymywanie

Można go otrzymać przepuszczając gazową mieszaninę wodoru (H ₂ ) i arsenu nad tlenkiem galu (III) (Ga ₂ O ₃ ) w temperaturze 600 ° C.

Można go również otrzymać w reakcji chlorku galu (III) (GaCl ₃ ) i tlenku arsenu (As ₂ O ₃ ) w 800 ° C.

Zastosowanie w ogniwach słonecznych

Arsenek galu jest stosowany w ogniwach słonecznych od lat 70-tych XX wieku, ponieważ ma wyjątkowe właściwości fotowoltaiczne, które dają mu przewagę nad innymi materiałami.

Działa lepiej niż krzem w przetwarzaniu energii słonecznej w energię elektryczną, dostarczając więcej energii w warunkach wysokiej temperatury lub słabego oświetlenia, dwóch typowych warunków, w których wytrzymują ogniwa słoneczne, gdzie występują zmiany poziomu oświetlenia i temperatury.

Niektóre z tych ogniw słonecznych są używane w samochodach zasilanych energią słoneczną, pojazdach kosmicznych i satelitach.

Ogniwa słoneczne GaAs na małym satelicie. Akademia Marynarki Wojennej Stanów Zjednoczonych / domena publiczna. Źródło: Wikimedia Commons.

Zalety GaAs dla tej aplikacji

Jest odporny na wilgoć i promieniowanie ultrafioletowe, dzięki czemu jest bardziej wytrzymały na warunki środowiskowe i pozwala na zastosowanie w zastosowaniach lotniczych.

Ma niski współczynnik temperaturowy, dzięki czemu nie traci wydajności w wysokich temperaturach i jest odporny na wysokie skumulowane dawki promieniowania. Uszkodzenia spowodowane promieniowaniem można usunąć przez odpuszczanie w temperaturze zaledwie 200 ° C.

Ma wysoki współczynnik pochłaniania fotonów światła, dzięki czemu ma wysoką wydajność w słabym świetle, czyli traci bardzo mało energii, gdy jest słabe oświetlenie od słońca.

Ogniwa słoneczne GaAs są wydajne nawet w słabym świetle. Autor: Arek Socha. Źródło: Pixabay.

Wytwarza więcej energii na jednostkę powierzchni niż jakakolwiek inna technologia. Jest to ważne, gdy masz mały obszar, taki jak samoloty, pojazdy lub małe satelity.

Jest to elastyczny i lekki materiał, działający nawet w bardzo cienkich warstwach, co sprawia, że ​​ogniwo słoneczne jest bardzo lekkie, elastyczne i wydajne.

Ogniwa słoneczne do pojazdów kosmicznych

Programy kosmiczne wykorzystywały ogniwa słoneczne GaAs od ponad 25 lat.

Połączenie GaAs z innymi związkami germanu, indu i fosforu umożliwiło uzyskanie bardzo wydajnych ogniw słonecznych, które są wykorzystywane w pojazdach badających powierzchnię planety Mars.

Artystyczna wersja łazika Curiosity na Marsie. To urządzenie ma ogniwa słoneczne z GaAs. NASA / JPL-Caltech / domena publiczna. Źródło: Wikimedia Commons.

Wada GaAs

Jest to bardzo drogi materiał w porównaniu z krzemem, który był główną przeszkodą w jego praktycznym zastosowaniu w ziemskich ogniwach słonecznych.

Jednak badane są metody ich stosowania w wyjątkowo cienkich warstwach, co obniży koszty.

Zastosowanie w urządzeniach elektronicznych

GaAs ma wiele zastosowań w różnych urządzeniach elektronicznych.

W tranzystorach

Tranzystory to elementy służące między innymi do wzmacniania sygnałów elektrycznych oraz otwierania lub zamykania obwodów.

Zastosowany w tranzystorach GaAs ma wyższą mobilność elektroniczną i wyższą rezystywność niż krzem, więc toleruje warunki o wyższej energii i wyższej częstotliwości, generując mniej hałasu.

Tranzystor GaAs używany do wzmacniania mocy. Epop / CC0. Źródło: Wikimedia Commons.

Na GPS

W latach 80-tych zastosowanie tego związku umożliwiło miniaturyzację odbiorników Global Positioning System lub GPS (Global Positioning System).

System ten umożliwia określenie położenia obiektu lub osoby na całej planecie z dokładnością do centymetrów.

Arsenek galu jest używany w systemach GPS. Autor: Foundry Co. Źródło: Pixabay.

W urządzeniach optoelektronicznych

Folie GaAs otrzymane w stosunkowo niskich temperaturach mają doskonałe właściwości optoelektroniczne, takie jak wysoka rezystywność (wymaga dużej energii, aby stać się przewodnikiem) i szybki transfer elektronów.

Dzięki bezpośredniej przerwie energetycznej nadaje się do stosowania w tego typu urządzeniach. Są to urządzenia, które przekształcają energię elektryczną w energię promienistą lub odwrotnie, takie jak diody LED, lasery, detektory, diody elektroluminescencyjne itp.

Lampa błyskowa typu LED. Może zawierać arsenek galu. Autor: Hebi B. Źródło: Pixabay.

W specjalnym napromieniowaniu

Właściwości tego związku skłoniły go do generowania promieniowania o częstotliwościach terahercowych, które mogą przenikać przez wszystkie rodzaje materiałów z wyjątkiem metali i wody.

Promieniowanie terahercowe, ponieważ jest niejonizujące, może być stosowane do uzyskiwania obrazów medycznych, ponieważ nie uszkadza tkanek ciała ani nie powoduje zmian w DNA, jak promienie X.

Promieniowanie to umożliwiłoby również wykrycie ukrytej broni w ludziach i bagażu, mogłoby być wykorzystane w metodach analizy spektroskopowej w chemii i biochemii oraz mogłoby pomóc odkryć ukryte dzieła sztuki w bardzo starych budynkach.

Potencjalne leczenie

Wykazano, że jeden rodzaj lasera GaAs jest pomocny w przyspieszaniu regeneracji masy mięśniowej uszkodzonej przez rodzaj jadu węża u myszy. Jednak konieczne są badania, aby określić jego skuteczność u ludzi.

Różne zespoły

Jest stosowany jako półprzewodnik w urządzeniach magnetorezystancyjnych, termistorach, kondensatorach, fotoelektronicznej transmisji danych światłowodowych, mikrofalach, układach scalonych stosowanych w urządzeniach łączności satelitarnej, systemach radarowych, smartfonach (technologia 4G) i tabletach.

Obwody elektroniczne w smartfonach mogą zawierać GaAs. Autor: Arek Socha. Źródło: Pixabay.

Ryzyka

To bardzo toksyczny związek. Długotrwała lub powtarzająca się ekspozycja na ten materiał powoduje uszkodzenie ciała.

Objawy narażenia mogą obejmować między innymi niedociśnienie, niewydolność serca, drgawki, hipotermię, paraliż, obrzęk dróg oddechowych, sinicę, marskość wątroby, uszkodzenie nerek, krwiomocz i leukopenię.

Może powodować raka i szkodzić płodności. Jest toksyczny i rakotwórczy również dla zwierząt.

Odpady niebezpieczne

Rosnące wykorzystanie GaAs w urządzeniach elektronicznych wzbudziło obawy dotyczące losu tego materiału w środowisku i jego potencjalnego zagrożenia dla zdrowia publicznego i środowiskowego.

Istnieje ukryte ryzyko uwolnienia arsenu (pierwiastka toksycznego i trującego), gdy urządzenia zawierające GaAs są składowane na składowiskach stałych odpadów komunalnych.

Badania pokazują, że warunki pH i redoks na wysypiskach są ważne dla korozji GaAs i uwalniania arsenu. Przy pH 7,6 i w normalnej atmosferze tlenu, do 15% tego toksycznego metaloidu może zostać uwolnione.

Sprzęt elektroniczny nie powinien być wyrzucany na wysypiska śmieci, ponieważ GaAs może uwalniać toksyczny arsen. Autor: INESby. Źródło: Pixabay.

Bibliografia

1. Amerykańska Narodowa Biblioteka Medyczna. (2019). Arsenku galu. Odzyskany z pubchem.ncbi.nlm.nih.gov.
2. Choudhury, SA i in. (2019). Metalowe nanostruktury do ogniw słonecznych. W Nanomaterials for Solar Cell Applications. Odzyskany z sciencedirect.com.
3. Ramos-Ruiz, A. i in. (2018). Zachowanie wymywania arsenku galu (GaAs) i zmiany chemii powierzchni w odpowiedzi na pH i O ₂ . Zarządzanie odpadami 77 (2018) 1-9. Odzyskany z sciencedirect.com.
4. Schlesinger, TE (2001). Arsenku galu. W Encyklopedii materiałów: nauka i technologia. Odzyskany z sciencedirect.com.
5. Mylvaganam, K. i in. (2015). Twarde cienkie folie. Film GaAs. Właściwości i produkcja. W nanopowłokach przeciwściernych. Odzyskany z sciencedirect.com.
6. Lide, DR (redaktor) (2003). Podręcznik chemii i fizyki CRC. 85 ^th CRC Press.
7. Elinoff, G. (2019). Arsenek galu: kolejny gracz w technologii półprzewodników. Odzyskany z allaboutcircuits.com.
8. Silva, LH i in. (2012). Naświetlanie laserem GaAs 904-nm poprawia regenerację masy mięśniowej włókien mięśniowych podczas regeneracji mięśni szkieletowych wcześniej uszkodzonych przez krotoksynę. Lasers Med Sci 27, 993-1000 (2012). Odzyskany z link.springer.com.
9. Lee, S.-M. et al. (2015). Wysokowydajne ultracienkie ogniwa słoneczne z GaAs wyposażone w heterogenicznie zintegrowane okresowe nanostruktury dielektryczne. ACS Nano. 27 października 2015; 9 (10): 10356–65. Odzyskany z ncbi.nlm.nih.gov.
10. Tanaka, A. (2004). Toksyczność arsenku indu, arsenku galu i arsenku galu i glinu. Toxicol Appl Pharmacol. 1 sierpnia 2004; 198 (3): 405-11. Odzyskany z ncbi.nlm.nih.gov.