GALLIUMARSENIDE: STRUCTUUR, EIGENSCHAPPEN, GEBRUIK, RISICO'S - CHEMIE - 2026

Het galliumarsenide is een anorganische verbinding die bestaat uit een galliumatoomelement (Ga) en een arseenatoom (As). De chemische formule is GaAs. Het is een donkergrijze vaste stof die een blauwgroene metaalachtige glans kan hebben.

Nanostructuren van deze verbinding zijn verkregen met potentieel voor verschillende toepassingen op veel gebieden van elektronica. Het behoort tot een groep materialen die verbindingen III-V worden genoemd vanwege de locatie van de elementen in het chemisch periodiek systeem.

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

Het is een halfgeleidermateriaal, wat betekent dat het alleen onder bepaalde omstandigheden elektriciteit kan geleiden. Het wordt veel gebruikt in elektronische apparaten, zoals transistors, GPS, LED-verlichting, lasers, tablets en smartphones.

Het heeft eigenschappen waardoor het gemakkelijk licht kan absorberen en omzetten in elektrische energie. Om deze reden wordt het gebruikt in zonnecellen van satellieten en ruimtevoertuigen.

Het maakt het mogelijk straling te genereren die verschillende materialen en ook levende organismen binnendringt, zonder deze te beschadigen. Het gebruik van een type GaAs-laser die spiermassa regenereert die is beschadigd door slangengif, is onderzocht.

Het is echter een giftige stof en kan kanker veroorzaken bij mens en dier. Elektronische apparatuur die op stortplaatsen wordt afgevoerd, kan gevaarlijk arseen afgeven en schadelijk zijn voor de gezondheid van mens, dier en milieu.

Structuur

Galliumarsenide heeft een verhouding van 1: 1 tussen een element van groep III van het periodiek systeem en een element van groep V, daarom wordt het verbinding III-V genoemd.

Het wordt beschouwd als een intermetallische vaste stof die is samengesteld uit arseen (As) en gallium (Ga) met oxidatietoestanden variërend van Ga ⁽⁰⁾ As ⁽⁰⁾ tot Ga ⁽⁺³⁾ As ^(-3) .

Galliumarsenide-kristal. W. Oelen / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0). Bron: Wikimedia Commons.

Nomenclatuur

• Galliumarsenide
• Gallium monoarsenide

Eigendommen

Fysieke toestand

Donkergrijze kristallijne vaste stof met blauwgroene metaalglans of grijs poeder. De kristallen zijn kubusvormig.

GaAs-kristallen. Links: gepolijste zijkant. Rechts: ruwe kant. Materialscientist bij Engelse Wikipedia / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0). Bron: Wikimedia Commons.

Molecuulgewicht

144,64 g / mol

Smeltpunt

1238 ºC

Dichtheid

5,3176 g / cm ³ bij 25 ° C

Oplosbaarheid

In water: minder dan 1 mg / ml bij 20 ° C.

Chemische eigenschappen

Het heeft een hydraat dat zure zouten kan vormen. Het is stabiel in droge lucht. In vochtige lucht wordt het donker.

Het kan reageren met stoom, zuren en zure gassen, waarbij het giftige gas wordt uitgestoten dat arsine, arsan of arseenhydride wordt genoemd (AsH ₃ ). Reageert met basen die waterstofgas uitstoten.

Het wordt aangevallen door geconcentreerd zoutzuur en door halogenen. Als het gesmolten is, valt het het kwarts aan. Als het nat wordt, geeft het een knoflookgeur af en als het wordt verwarmd om te ontbinden, geeft het zeer giftige arseengassen af.

Andere fysische eigenschappen

Het is een halfgeleidermateriaal, wat betekent dat het zich kan gedragen als een geleider van elektriciteit of als een isolator, afhankelijk van de omstandigheden waaraan het wordt blootgesteld, zoals het elektrische veld, de druk, de temperatuur of de straling die het ontvangt.

Gap tussen elektronische bands

Het heeft een energiekloofbreedte van 1424 eV (elektronvolt). De breedte van de energiekloof, verboden band of bandgap is de ruimte tussen de elektronenschillen van een atoom.

Hoe groter de energiekloof, hoe groter de energie die de elektronen nodig hebben om naar de volgende schaal te "springen" en ervoor te zorgen dat de halfgeleider verandert in een geleidende toestand.

GaAs heeft een grotere energiekloof dan silicium en is daardoor zeer goed bestand tegen straling. Het is ook een directe spleetbreedte, zodat het licht effectiever kan uitstralen dan silicium, waarvan de spleetbreedte indirect is.

Het verkrijgen van

Het kan worden verkregen door een gasvormig mengsel van waterstof (H ₂ ) en arseen bij 600 ° C over gallium (III) oxide (Ga ₂ O ₃ ) te leiden.

Het kan ook worden bereid door reactie tussen gallium (III) chloride (GaCl ₃ ) en arseenoxide (As ₂ O ₃ ) bij 800 ° C.

Gebruik in zonnecellen

Galliumarsenide wordt al sinds de jaren 70 in zonnecellen gebruikt, omdat het uitstekende fotovoltaïsche eigenschappen heeft die het een voordeel geven ten opzichte van andere materialen.

Het presteert beter dan silicium bij het omzetten van zonne-energie in elektriciteit, en levert meer energie bij hoge temperaturen of weinig licht, twee van de meest voorkomende omstandigheden waar zonnecellen mee te maken hebben, waarbij er veranderingen zijn in verlichtingsniveaus en temperatuur.

Sommige van deze zonnecellen worden gebruikt in auto's op zonne-energie, ruimtevoertuigen en satellieten.

GaAs-zonnecellen op een kleine satelliet. United States Naval Academy / Openbaar domein. Bron: Wikimedia Commons.

Voordelen van GaAs voor deze toepassing

Het is bestand tegen vocht en ultraviolette straling, waardoor het duurzamer is tegen omgevingsomstandigheden en kan worden gebruikt in lucht- en ruimtevaarttoepassingen.

Het heeft een lage temperatuurcoëfficiënt, dus het verliest geen efficiëntie bij hoge temperaturen en is bestand tegen hoge geaccumuleerde stralingsdoses. Stralingsschade kan worden verwijderd door te temperen op slechts 200 ° C.

Het heeft een hoge absorptiecoëfficiënt van fotonen van licht, dus het presteert goed bij weinig licht, dat wil zeggen dat het heel weinig energie verliest als er slechte verlichting van de zon is.

GaAs-zonnecellen zijn zelfs bij weinig licht efficiënt. Auteur: Arek Socha. Bron: Pixabay.

Het produceert meer energie per oppervlakte-eenheid dan welke andere technologie dan ook. Dit is belangrijk wanneer u een klein gebied heeft, zoals vliegtuigen, voertuigen of kleine satellieten.

Het is een flexibel materiaal met een laag gewicht dat zelfs in zeer dunne lagen efficiënt is, wat de zonnecel zeer licht, flexibel en efficiënt maakt.

Zonnecellen voor ruimtevoertuigen

Ruimtevaartprogramma's gebruiken al meer dan 25 jaar GaAs-zonnecellen.

De combinatie van GaAs met andere verbindingen van germanium, indium en fosfor heeft het mogelijk gemaakt zonnecellen met een zeer hoog rendement te verkrijgen die worden gebruikt in voertuigen die het oppervlak van de planeet Mars verkennen.

Artist's versie van de Curiosity rover op Mars. Dit apparaat heeft zonnecellen van GaAs. NASA / JPL-Caltech / Openbaar domein. Bron: Wikimedia Commons.

Nadeel van GaAs

Het is een erg duur materiaal in vergelijking met silicium, dat de belangrijkste barrière was voor de praktische toepassing ervan in terrestrische zonnecellen.

Er worden echter methoden bestudeerd voor het gebruik ervan in extreem dunne lagen, wat de kosten zal drukken.

Gebruik in elektronische apparaten

GaAs heeft meerdere toepassingen in verschillende elektronische apparaten.

In transistors

Transistors zijn elementen die onder meer dienen om elektrische signalen te versterken en circuits te openen of te sluiten.

Gebruikt in transistors, heeft GaAs een hogere elektronische mobiliteit en een hogere soortelijke weerstand dan silicium, dus het tolereert condities van hogere energie en hogere frequentie en genereert minder ruis.

GaAs-transistor die wordt gebruikt om het vermogen te versterken. Epop / CC0. Bron: Wikimedia Commons.

Op gps

In de jaren tachtig maakte het gebruik van deze verbinding de miniaturisatie mogelijk van het Global Positioning System of GPS (Global Positioning System) -ontvangers.

Dit systeem maakt het mogelijk om de positie van een object of persoon op de hele planeet op centimeters nauwkeurig te bepalen.

Galliumarsenide wordt gebruikt in GPS-systemen. Auteur: Foundry Co. Bron: Pixabay.

In opto-elektronische apparaten

GaAs-films verkregen bij relatief lage temperaturen hebben uitstekende opto-elektronische eigenschappen, zoals een hoge soortelijke weerstand (vereist hoge energie om een ​​geleider te worden) en snelle elektronenoverdracht.

Zijn directe energiekloof maakt het geschikt voor gebruik in dit type apparaat. Het zijn apparaten die elektrische energie omzetten in stralingsenergie of omgekeerd, zoals led-lampen, lasers, detectoren, lichtgevende diodes, enz.

LED zaklamp. Kan galliumarsenide bevatten. Auteur: Hebi B. Bron: Pixabay.

In speciale straling

De eigenschappen van deze verbinding hebben ertoe geleid dat het wordt gebruikt om straling te genereren met frequenties van terahertz, straling die alle soorten materialen kan doordringen behalve metalen en water.

Terahertz-straling kan, omdat het niet-ioniserend is, worden toegepast bij het verkrijgen van medische beelden, aangezien het de weefsels van het lichaam niet beschadigt of veranderingen in het DNA veroorzaakt zoals röntgenstralen.

Deze stralingen zouden het ook mogelijk maken om verborgen wapens in mensen en bagage op te sporen, kunnen worden gebruikt in spectroscopische analysemethoden in de chemie en biochemie, en kunnen helpen om verborgen kunstwerken in zeer oude gebouwen te ontdekken.

Mogelijke medische behandeling

Van een type GaAs-laser is aangetoond dat het nuttig is bij het verbeteren van de regeneratie van spiermassa die is beschadigd door een soort slangengif bij muizen. Er zijn echter studies nodig om de effectiviteit ervan bij mensen te bepalen.

Diverse teams

Het wordt gebruikt als halfgeleider in magnetoweerstandsapparaten, thermistors, condensatoren, foto-elektronische datatransmissie via optische vezels, microgolven, geïntegreerde schakelingen die worden gebruikt in apparaten voor satellietcommunicatie, radarsystemen, smartphones (4G-technologie) en tablets.

Elektronische circuits in smartphones kunnen GaAs bevatten. Auteur: Arek Socha. Bron: Pixabay.

Risico's

Het is een zeer giftige verbinding. Langdurige of herhaalde blootstelling aan dit materiaal veroorzaakt schade aan het lichaam.

Symptomen van blootstelling kunnen zijn: hypotensie, hartfalen, toevallen, hypothermie, verlamming, ademhalingsoedeem, cyanose, levercirrose, nierbeschadiging, hematurie en leukopenie, naast vele andere.

Het kan kanker veroorzaken en de vruchtbaarheid schaden. Het is ook giftig en kankerverwekkend voor dieren.

Gevaarlijk afval

Het toenemende gebruik van GaAs in elektronische apparaten heeft geleid tot bezorgdheid over het lot van dit materiaal in het milieu en de mogelijke risico's voor de volksgezondheid en de gezondheid van het milieu.

Er is een latent risico op afgifte van arseen (giftig en giftig element) wanneer GaAs-bevattende apparaten worden verwijderd op stortplaatsen voor vast stedelijk afval.

Studies tonen aan dat pH- en redox-omstandigheden op stortplaatsen belangrijk zijn voor GaAs-corrosie en het vrijkomen van arseen. Bij pH 7,6 en onder een normale zuurstofatmosfeer kan tot 15% van dit giftige metalloïde vrijkomen.

Elektronische apparatuur mag niet op stortplaatsen worden gestort, aangezien GaAs het giftige arseen kan afgeven. Auteur: INESby. Bron: Pixabay.

Referenties

1. Amerikaanse National Library of Medicine. (2019). Galliumarsenide. Opgehaald van pubchem.ncbi.nlm.nih.gov.
2. Choudhury, SA et al. (2019). Metalen nanostructuren voor zonnecellen. In nanomaterialen voor zonneceltoepassingen. Opgehaald van sciencedirect.com.
3. Ramos-Ruiz, A. et al. (2018). Galliumarsenide (GaAs) uitlooggedrag en veranderingen in oppervlaktechemie als reactie op pH en O ₂ . Afvalbeheer 77 (2018) 1-9. Opgehaald van sciencedirect.com.
4. Schlesinger, TE (2001). Gallium Arsenide. In Encyclopedia of Materials: Science and Technology. Opgehaald van sciencedirect.com.
5. Mylvaganam, K. et al. (2015). Harde dunne films. GaAs-film. Eigenschappen en productie. In anti-schurende nanocoatings. Opgehaald van sciencedirect.com.
6. Lide, DR (redacteur) (2003). CRC Handbook of Chemistry and Physics. 85 ^th CRC Press.
7. Elinoff, G. (2019). Gallium Arsenide: een andere speler in halfgeleidertechnologie. Opgehaald van allaboutcircuits.com.
8. Silva, LH et al. (2012). GaAs 904-nm laserbestraling verbetert het herstel van de massa van myofiber tijdens regeneratie van skeletspieren die eerder door crotoxine waren beschadigd. Lasers Med Sci 27, 993-1000 (2012). Opgehaald van link.springer.com.
9. Lee, S.-M. et al. (2015). Hoogwaardige ultradunne GaAs-zonnecellen, mogelijk gemaakt met heterogeen geïntegreerde diëlektrische periodieke nanostructuren. ACS Nano. 2015 27 oktober; 9 (10): 10356-65. Opgehaald van ncbi.nlm.nih.gov.
10. Tanaka, A. (2004). Toxiciteit van indiumarsenide, galliumarsenide en aluminium galliumarsenide. Toxicol Appl Pharmacol. 1 aug. 2004; 198 (3): 405-11. Opgehaald van ncbi.nlm.nih.gov.