ARZENID GÁLNATÝ: ŠTRUKTÚRA, VLASTNOSTI, POUŽITIE, RIZIKÁ - CHÉMIA - 2026

Arzenid anorganické zlúčeniny, skladajúci sa z gália atómu prvku (Ga) a arzénu atómu (As). Jeho chemický vzorec je GaAs. Je to tmavošedá pevná látka, ktorá môže mať modrozelený kovový lesk.

Získali sa nanoštruktúry tejto zlúčeniny s potenciálom pre rôzne použitia v mnohých oblastiach elektroniky. Patrí do skupiny materiálov nazývaných zlúčeniny III-V kvôli umiestneniu jej prvkov v chemickej periodickej tabuľke.

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

Je to polovodičový materiál, čo znamená, že elektrinu môže viesť iba za určitých podmienok. Je široko používaný v elektronických zariadeniach, ako sú tranzistory, GPS, LED svetlá, lasery, tablety a chytré telefóny.

Má vlastnosti, ktoré jej umožňujú ľahko absorbovať svetlo a premieňať ho na elektrickú energiu. Z tohto dôvodu sa používa v solárnych článkoch satelitov a kozmických vozidiel.

Umožňuje generovať žiarenie, ktoré preniká do rôznych materiálov a tiež do živých organizmov, bez toho, aby ich poškodilo. Študovalo sa použitie typu GaAs lasera, ktorý regeneruje svalovú hmotu poškodenú hadím jedom.

Je to však toxická zlúčenina a môže spôsobiť rakovinu u ľudí a zvierat. Elektronické zariadenia, ktoré sa zneškodňujú na skládkach, môžu uvoľňovať nebezpečný arzén a škodlivé pre zdravie ľudí, zvierat a životného prostredia.

štruktúra

Arzenid gálnatý má pomer 1: 1 medzi prvkom skupiny III periodickej tabuľky a prvkom skupiny V, a preto sa nazýva zlúčenina III-V.

Považuje sa za intermetalickú tuhú látku zloženú z arzénu (As) a gália (Ga) s oxidačnými stavmi v rozmedzí od Ga ⁽⁰⁾ As ⁽⁰⁾ po Ga ⁽⁺³⁾ As ^(-3) .

Kryštál arzenidu gália. W. Oelen / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0). Zdroj: Wikimedia Commons.

názvoslovie

• Arzenid gália
• Monoarsenid gália

vlastnosti

Fyzický stav

Tmavošedá kryštalická tuhá látka s modrozeleným kovovým leskom alebo sivým práškom. Jeho kryštály sú kubické.

GaAs kryštály. Vľavo: leštená strana. Vpravo: drsná strana. Materialcientist na anglickej Wikipédii / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0). Zdroj: Wikimedia Commons.

Molekulová hmotnosť

144,64 g / mol

Bod topenia

1238 ° C

Hustota

5,3176 g / cm ³ pri 25 ° C

rozpustnosť

Vo vode: menej ako 1 mg / ml pri 20 ° C.

Chemické vlastnosti

Má hydrát, ktorý môže tvoriť kyslé soli. Je stabilný na suchom vzduchu. Vo vlhkom vzduchu stmavne.

Môže reagovať s parou, kyselinami a kyslými plynmi a uvoľňovať jedovatý plyn nazývaný arzín, arzán alebo hydrid arzénu (AsH ₃ ). Reaguje s bázami a uvoľňuje plynný vodík.

Je napadnutá koncentrovanou kyselinou chlorovodíkovou a halogénmi. Pri roztavení útočí na kremeň. Ak sa namočí, uvoľní cesnakový zápach a ak sa zahrieva na rozklad, uvoľňuje vysoko toxické arzénové plyny.

Iné fyzikálne vlastnosti

Je to polovodičový materiál, čo znamená, že sa môže správať ako vodič elektriny alebo ako izolátor v závislosti od podmienok, ktorým je vystavený, ako je napríklad elektrické pole, tlak, teplota alebo žiarenie, ktoré prijíma.

Rozdiel medzi elektronickými pásmami

Má šírku energetickej medzery 1 424 eV (elektrónové volty). Šírka energetickej medzery, zakázané pásmo alebo bandgap je priestor medzi elektrónovými škrupinami atómu.

Čím je energetická medzera širšia, tým väčšia je energia, ktorú elektróny potrebujú na „skočenie“ do ďalšieho plášťa a spôsobujú zmenu polovodiča na vodivý stav.

GaAs má širšiu energetickú medzeru ako kremík, a preto je vysoko odolný voči žiareniu. Je to tiež priama šírka medzery, takže môže vyžarovať svetlo efektívnejšie ako kremík, ktorého šírka medzery je nepriama.

získanie

To môže byť dosiahnuté priechodom plynnej zmesi vodíka (H ₂ ), a arzén cez gália (III) kysličník (GA ₂ O ₃ ), pri 600 ° C

To môže tiež byť pripravené reakciou medzi gálium chlorid (III) (GaCl ₃ ) a oxid arzén (As ₂ O ₃ ), pri teplote 800 ° C,

Použitie v solárnych článkoch

Arzenid gálnatý sa používa v solárnych článkoch od 70. rokov 20. storočia, pretože má vynikajúce fotovoltaické vlastnosti, ktoré mu poskytujú výhodu oproti iným materiálom.

Pri premene slnečnej energie na elektrickú energiu funguje lepšie ako kremík, čím dodáva viac energie za vysokých teplôt alebo pri slabom osvetlení, čo sú dve bežné podmienky, ktoré solárne články vydržia, keď dochádza k zmenám úrovne osvetlenia a teploty.

Niektoré z týchto solárnych článkov sa používajú v solárnych automobiloch, vesmírnych vozidlách a satelitoch.

Slnečné články GaAs na malom satelite. Námorná akadémia USA / verejné vlastníctvo. Zdroj: Wikimedia Commons.

Výhody GaA pre túto aplikáciu

Je odolný proti vlhkosti a ultrafialovému žiareniu, vďaka čomu je odolný voči poveternostným podmienkam a umožňuje jeho použitie v leteckých aplikáciách.

Má nízky teplotný koeficient, takže nestráca účinnosť pri vysokých teplotách a odoláva vysokým akumulovaným dávkam žiarenia. Poškodenie žiarením možno odstrániť popúšťaním pri 200 ° C.

Má vysoký koeficient absorpcie fotónov svetla, takže má vysoký výkon pri slabom svetle, to znamená, že pri slabom osvetlení slnkom stráca veľmi málo energie.

Solárne články GaAs sú efektívne aj pri slabom osvetlení. Autor: Arek Socha. Zdroj: Pixabay.

Produkuje viac energie na jednotku plochy ako ktorákoľvek iná technológia. Toto je dôležité, keď máte malú plochu, ako sú lietadlá, vozidlá alebo malé satelity.

Je to flexibilný materiál s nízkou hmotnosťou, účinný aj pri aplikácii vo veľmi tenkých vrstvách, vďaka čomu je solárny článok veľmi ľahký, flexibilný a efektívny.

Solárne články pre vesmírne vozidlá

Vesmírne programy využívajú solárne články GaAs už viac ako 25 rokov.

Kombinácia GaAs s inými zlúčeninami germánia, india a fosforu umožnila získať vysoko efektívne solárne články, ktoré sa používajú vo vozidlách, ktoré skúmajú povrch planéty Mars.

Umelecká verzia kurzora zvedavosti na Marse. Toto zariadenie má solárne články GaAs. NASA / JPL-Caltech / verejné vlastníctvo. Zdroj: Wikimedia Commons.

Nevýhoda GaAs

Je to veľmi drahý materiál v porovnaní s kremíkom, ktorý bol hlavnou prekážkou jeho praktického uplatnenia v pozemských solárnych článkoch.

Študujú sa však spôsoby ich použitia v extrémne tenkých vrstvách, ktoré znížia náklady.

Použitie v elektronických zariadeniach

GaAs má viacnásobné použitie v rôznych elektronických zariadeniach.

V tranzistoroch

Tranzistory sú prvky, ktoré slúžia okrem iného na zosilnenie elektrických signálov a otvorených alebo uzavretých obvodov.

GaAs, používané v tranzistoroch, má vyššiu elektronickú mobilitu a vyššiu rezistenciu ako kremík, takže toleruje podmienky vyššej energie a vyššej frekvencie a vytvára menší šum.

Tranzistor GaAs používaný na zosilnenie výkonu. Epop / CC0. Zdroj: Wikimedia Commons.

Na GPS

V 80. rokoch 20. storočia použitie tejto zlúčeniny umožnilo miniaturizáciu prijímačov Global Positioning System alebo GPS (Global Positioning System).

Tento systém umožňuje určiť polohu objektu alebo osoby na celej planéte s presnosťou na centimetre.

Arzenid gálnatý sa používa v systémoch GPS. Autor: Foundry Co. Zdroj: Pixabay.

V optoelektronických zariadeniach

Filmy GaAs získané pri relatívne nízkych teplotách majú vynikajúce optoelektronické vlastnosti, ako napríklad vysoký odpor (vyžaduje sa vysoká energia, aby sa stal vodičom) a rýchly prenos elektrónov.

Vďaka svojej priamej energetickej medzere je tento prístroj vhodný na použitie v tomto type zariadení. Sú to zariadenia, ktoré transformujú elektrickú energiu na žiarivú energiu alebo naopak, napríklad LED svetlá, lasery, detektory, diódy vyžarujúce svetlo atď.

LED svietidlo. Môže obsahovať arzenid gálnatý. Autor: Hebi B. Zdroj: Pixabay.

V špeciálnom žiarení

Vlastnosti tejto zlúčeniny viedli k jej použitiu na generovanie žiarenia s frekvenciami terahertzov, čo sú žiarenia, ktoré môžu prenikať do všetkých typov materiálov okrem kovov a vody.

Terahertzove žiarenie, pretože je neionizujúce, sa môže použiť pri získavaní lekárskych snímok, pretože nepoškodzuje tkanivá tela ani nespôsobuje zmeny v DNA, ako napríklad röntgenové lúče.

Tieto žiarenia by tiež umožnili odhaliť skryté zbrane u ľudí a batožiny, mohli by sa použiť v spektroskopických analytických metódach v chémii a biochémii a mohli by pomôcť odhaliť skryté umelecké diela vo veľmi starých budovách.

Potenciálne lekárske ošetrenie

Ukázalo sa, že typ GaAs laseru je užitočný pri zlepšovaní regenerácie svalovej hmoty poškodenej typom hadího jedu u myší. Vyžaduje sa však štúdia, aby sa stanovila jeho účinnosť u ľudí.

Rôzne tímy

Používa sa ako polovodič v magnetorezistenčných zariadeniach, termistoroch, kondenzátoroch, fotoelektronickom prenose dát z optických vlákien, mikrovlnách, integrovaných obvodoch používaných v zariadeniach pre satelitné komunikácie, radarové systémy, smartfóny (technológia 4G) a tablety.

Elektronické obvody v smartfónoch môžu obsahovať GaAs. Autor: Arek Socha. Zdroj: Pixabay.

riziká

Je to vysoko toxická zlúčenina. Dlhodobé alebo opakované vystavenie sa tomuto materiálu spôsobuje poškodenie tela.

Medzi príznaky expozície môžu patriť hypotéza, srdcové zlyhanie, záchvaty, podchladenie, paralýza, respiračný edém, cyanóza, cirhóza pečene, poškodenie obličiek, hematúria a leukopénia.

Môže spôsobiť rakovinu a poškodiť plodnosť. Je toxický a karcinogénny aj pre zvieratá.

Nebezpečný odpad

Rastúce využívanie GaA v elektronických zariadeniach vyvolalo obavy týkajúce sa osudu tohto materiálu v životnom prostredí a jeho potenciálnych rizík pre zdravie ľudí a životného prostredia.

Pri likvidácii zariadení obsahujúcich GaAs na skládkach tuhého komunálneho odpadu existuje latentné riziko uvoľnenia arzénu (toxický a jedovatý prvok).

Štúdie ukazujú, že pH a redoxné podmienky na skládkach sú dôležité pre koróziu GaA a uvoľňovanie arzénu. Pri pH 7,6 a pri normálnej kyslíkovej atmosfére sa môže uvoľniť až 15% tohto toxického metaloidu.

Elektronické vybavenie by sa nemalo likvidovať na skládkach, pretože GaAs môže uvoľňovať toxický arzén. Autor: INESby. Zdroj: Pixabay.

Referencie

1. Americká národná lekárska knižnica. (2019). Arzenid gália. Získané z pubchem.ncbi.nlm.nih.gov.
2. Choudhury, SA a kol. (2019). Kovové nanoštruktúry pre solárne články. V nanomateriáloch pre aplikácie solárnych článkov. Obnovené zo stránky sciusalirect.com.
3. Ramos-Ruiz, A. a kol. (2018). Zmeny lúhovania gália arzenidu (GaAs) a zmeny chemie povrchu v reakcii na pH a O ₂ . Odpadové hospodárstvo 77 (2018) 1-9. Obnovené zo stránky sciusalirect.com.
4. Schlesinger, TE (2001). Gallium Arsenide. In Encyclopedia of Materials: Science and Technology. Obnovené zo stránky sciusalirect.com.
5. Mylvaganam, K. a kol. (2015). Tvrdé tenké filmy. GaAs film. Vlastnosti a výroba. V antikoróznych nanokovinách. Obnovené zo stránky sciusalirect.com.
6. Lide, DR (editor) (2003). CRC Príručka chémie a fyziky. 85 ^th CRC Press.
7. Elinoff, G. (2019). Gallium Arsenide: ďalší hráč v oblasti polovodičovej technológie. Obnovené z allaboutcircuits.com.
8. Silva, LH a kol. (2012). GaAs laserové ožarovanie 904 nm zlepšuje regeneráciu hmoty myofiber počas regenerácie kostrového svalu predtým poškodeného crotoxínom. Lasers Med Sci 27, 993-1000 (2012). Obnovené z odkazu.springer.com.
9. Lee, S.-M. a kol. (2015). Vysoko výkonné ultrafialové solárne články GaAs s heterogénne integrovanými dielektrickými periodickými nanoštruktúrami. ACS Nano. 27. októbra 2015; 9 (10): 10356-65. Získané z ncbi.nlm.nih.gov.
10. Tanaka, A. (2004). Toxicita arzenidu india, arzenidu gália a arzenidu hlinitého a gália. Toxicol Appl Pharmacol. 1. augusta 2004; 198 (3): 405-11. Získané z ncbi.nlm.nih.gov.