GALLIUM ARSENIDE: STRUKTUR, SIFAT, KEGUNAAN, RISIKO - KIMIA - 2025

The galium arsenida sebatian organik yang terdiri daripada unsur galium atom (Ga) dan atom arsenik (As). Formula kimianya ialah GaAs. Ia adalah warna kelabu gelap yang boleh mempunyai kilauan logam biru-hijau.

Nanostruktur sebatian ini telah diperoleh dengan potensi untuk pelbagai kegunaan dalam banyak bidang elektronik. Ia tergolong dalam sekumpulan bahan yang disebut sebatian III-V kerana lokasi unsur-unsurnya dalam jadual berkala kimia.

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

Ini adalah bahan semikonduktor, yang bermaksud bahawa ia boleh mengalirkan elektrik hanya dalam keadaan tertentu. Ia digunakan secara meluas dalam peranti elektronik, seperti transistor, GPS, lampu LED, laser, tablet, dan telefon pintar.

Ia mempunyai ciri-ciri yang memungkinkan untuk menyerap cahaya dengan mudah dan mengubahnya menjadi tenaga elektrik. Atas sebab ini digunakan dalam sel surya satelit dan kenderaan angkasa.

Ia membolehkan menghasilkan radiasi yang menembusi pelbagai bahan dan juga organisma hidup, tanpa menyebabkan kerosakan pada mereka. Penggunaan laser jenis GaAs yang menjana semula jisim otot yang rosak oleh racun ular telah dikaji.

Walau bagaimanapun, ia adalah sebatian toksik dan boleh menyebabkan barah pada manusia dan haiwan. Peralatan elektronik yang dibuang di tempat pembuangan sampah dapat melepaskan arsenik berbahaya dan berbahaya bagi kesihatan orang, haiwan dan alam sekitar.

Struktur

Gallium arsenide mempunyai nisbah 1: 1 antara unsur Kumpulan III jadual berkala dan unsur Kumpulan V, sebab itulah ia dipanggil sebatian III-V.

Ia dianggap sebagai pepejal antara logam yang terdiri daripada arsenik (As) dan gallium (Ga) dengan keadaan pengoksidaan mulai dari Ga ⁽⁰⁾ As ⁽⁰⁾ hingga Ga ⁽⁺³⁾ As ^(-3) .

Kristal Gallium arsenide. W. Oelen / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0). Sumber: Wikimedia Commons.

Tatanama

• Gallium arsenide
• Gallium monoarsenide

Hartanah

Keadaan fizikal

Pepejal berwarna kelabu gelap dengan kilauan logam biru-hijau atau serbuk kelabu. Kristalnya berbentuk kubik.

Kristal GaAs. Kiri: sisi digilap. Kanan: sisi kasar. Saintis Bahan di Wikipedia Bahasa Inggeris / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0). Sumber: Wikimedia Commons.

Berat molekul

144.64 g / mol

Takat lebur

1238 ºC

Ketumpatan

5.3176 g / cm ³ pada 25 ° C.

Keterlarutan

Di dalam air: kurang dari 1 mg / mL pada suhu 20 ° C.

Sifat kimia

Ia mempunyai hidrat yang dapat membentuk garam asid. Ia stabil di udara kering. Di udara lembap ia menjadi gelap.

Ia dapat bertindak balas dengan wap, asid, dan gas asid, mengeluarkan gas beracun yang disebut arsine, arsan, atau arsenic hidrida (AsH ₃ ). Bertindak balas dengan asas yang memancarkan gas hidrogen.

Ia diserang oleh asid hidroklorik pekat dan halogen. Apabila cair ia menyerang kuarza. Sekiranya basah, ia mengeluarkan bau bawang putih dan jika dipanaskan untuk mengurai, ia akan mengeluarkan gas arsenik yang sangat toksik.

Sifat fizikal lain

Ini adalah bahan semikonduktor yang bermaksud bahawa ia boleh bertindak sebagai konduktor elektrik atau sebagai penebat bergantung pada keadaan yang dikenakan, seperti medan elektrik, tekanan, suhu atau radiasi yang diterimanya.

Jurang antara jalur elektronik

Ia mempunyai jurang tenaga seluas 1.424 eV (volt elektron). Lebar jurang tenaga, pita terlarang atau celah pita adalah ruang antara cengkerang elektron atom.

Semakin luas jurang tenaga, semakin besar tenaga yang diperlukan oleh elektron untuk "melompat" ke cengkerang seterusnya dan menyebabkan semikonduktor berubah menjadi keadaan pengalir.

GaAs mempunyai jurang tenaga yang lebih luas daripada silikon dan ini menjadikannya sangat tahan terhadap radiasi. Ini juga lebar jurang langsung, sehingga dapat memancarkan cahaya dengan lebih efektif daripada silikon, yang lebar jurangnya tidak langsung.

Mendapatkan

Ia dapat diperoleh dengan menyebarkan campuran gas hidrogen (H ₂ ) dan arsenik di atas gallium (III) oksida (Ga ₂ O ₃ ) pada suhu 600 ° C.

Ia juga boleh dibuat dengan tindak balas antara gallium (III) klorida (GaCl ₃ ) dan arsenik oksida (As ₂ O ₃ ) pada suhu 800 ° C.

Gunakan dalam sel suria

Gallium arsenide telah digunakan dalam sel suria sejak tahun 1970-an, kerana mempunyai ciri fotovoltaik yang luar biasa yang memberikan kelebihan berbanding bahan lain.

Ia berfungsi lebih baik daripada silikon dalam mengubah tenaga suria menjadi elektrik, memberikan lebih banyak tenaga dalam keadaan panas tinggi atau cahaya rendah, dua dari keadaan biasa yang dialami sel suria, di mana terdapat perubahan tahap dan suhu pencahayaan.

Sebilangan sel suria ini digunakan dalam mobil bertenaga suria, kendaraan angkasa, dan satelit.

Sel solar GaAs pada satelit kecil. Akademi Tentera Laut Amerika Syarikat / Domain awam. Sumber: Wikimedia Commons.

Kelebihan GaAs untuk aplikasi ini

Ia tahan terhadap kelembapan dan sinaran ultraviolet, yang menjadikannya lebih tahan lama terhadap keadaan persekitaran dan memungkinkannya digunakan dalam aplikasi ruang angkasa.

Ia mempunyai pekali suhu rendah, sehingga tidak kehilangan kecekapan pada suhu tinggi dan menahan dos radiasi terkumpul yang tinggi. Kerosakan radiasi dapat diatasi dengan tempering pada suhu 200 ° C.

Ia mempunyai pekali penyerapan foton cahaya yang tinggi, sehingga mempunyai prestasi tinggi dalam cahaya rendah, yaitu, ia kehilangan sedikit tenaga ketika pencahayaan yang buruk dari matahari.

Sel solar GaAs efisien walaupun dalam cahaya rendah. Pengarang: Arek Socha. Sumber: Pixabay.

Ia menghasilkan lebih banyak tenaga per unit kawasan berbanding teknologi lain. Ini penting apabila anda mempunyai kawasan kecil seperti pesawat udara, kenderaan atau satelit kecil.

Ini adalah bahan yang fleksibel dan berat rendah, efisien walaupun digunakan pada lapisan yang sangat tipis, yang menjadikan sel surya sangat ringan, fleksibel dan efisien.

Sel suria untuk kenderaan angkasa

Program angkasa telah menggunakan sel solar GaAs selama lebih dari 25 tahun.

Gabungan GaA dengan sebatian germanium, indium dan fosfor lain memungkinkan untuk memperoleh sel suria dengan kecekapan tinggi yang digunakan dalam kenderaan yang menjelajah permukaan planet Marikh.

Versi Artis dari Curiosity rover di Mars. Peranti ini mempunyai sel solar GaAs. NASA / JPL-Caltech / Domain awam. Sumber: Wikimedia Commons.

Kekurangan GaAs

Ini adalah bahan yang sangat mahal dibandingkan dengan silikon, yang menjadi penghalang utama pelaksanaan praktikalnya dalam sel suria terestrial.

Walau bagaimanapun, kaedah untuk penggunaannya pada lapisan yang sangat nipis sedang dikaji, yang akan mengurangkan biaya.

Gunakan dalam peranti elektronik

GaAs mempunyai pelbagai kegunaan dalam pelbagai peranti elektronik.

Dalam transistor

Transistor adalah elemen yang berfungsi untuk menguatkan isyarat elektrik dan membuka atau menutup litar, antara kegunaan lain.

Digunakan dalam transistor, GaAs mempunyai mobiliti elektronik yang lebih tinggi dan daya tahan yang lebih tinggi daripada silikon, jadi ia mentolerir keadaan tenaga yang lebih tinggi dan frekuensi yang lebih tinggi, menghasilkan lebih sedikit bunyi.

Transistor GaAs digunakan untuk menguatkan daya. Epop / CC0. Sumber: Wikimedia Commons.

Pada GPS

Pada tahun 1980-an, penggunaan sebatian ini memungkinkan pengecualian penerima Global Positioning System atau GPS (Global Positioning System).

Sistem ini memungkinkan untuk menentukan kedudukan objek atau orang di seluruh planet dengan ketepatan sentimeter.

Gallium arsenide digunakan dalam sistem GPS. Pengarang: Foundry Co. Sumber: Pixabay

Dalam peranti optoelektronik

Filem GaAs yang diperoleh pada suhu yang relatif rendah mempunyai sifat optoelektronik yang sangat baik, seperti daya tahan tinggi (memerlukan tenaga tinggi untuk menjadi konduktor) dan pemindahan elektron yang cepat.

Jurang tenaga langsung menjadikannya sesuai untuk digunakan dalam jenis peranti ini. Mereka adalah peranti yang mengubah tenaga elektrik menjadi tenaga berseri atau sebaliknya, seperti lampu LED, laser, pengesan, diod pemancar cahaya, dll.

Lampu suluh LED. Mungkin mengandungi gallium arsenide. Pengarang: Hebi B. Sumber: Pixabay

Dalam sinaran khas

Sifat sebatian ini mendorong penggunaannya untuk menghasilkan radiasi dengan frekuensi terahertz, yang merupakan radiasi yang dapat menembusi semua jenis bahan kecuali logam dan air.

Sinaran Terahertz, kerana tidak mengion, dapat diterapkan dalam mendapatkan gambar perubatan, kerana tidak merosakkan tisu tubuh atau menyebabkan perubahan DNA seperti sinar-X.

Sinaran ini juga memungkinkan untuk mengesan senjata tersembunyi pada orang dan bagasi, dapat digunakan dalam metode analisis spektroskopi dalam kimia dan biokimia, dan dapat membantu mengungkap karya seni tersembunyi di bangunan yang sangat tua.

Rawatan perubatan yang berpotensi

Sejenis laser GaA telah terbukti berguna dalam meningkatkan pertumbuhan semula jisim otot yang dirosakkan oleh sejenis racun ular pada tikus. Walau bagaimanapun, kajian diperlukan untuk menentukan keberkesanannya pada manusia.

Pelbagai pasukan

Ia digunakan sebagai semikonduktor dalam alat magnetoresistance, termistor, kapasitor, transmisi data serat optik fotolistrik, gelombang mikro, litar bersepadu yang digunakan dalam perangkat untuk komunikasi satelit, sistem radar, telefon pintar (teknologi 4G) dan tablet.

Litar elektronik di telefon pintar boleh mengandungi GaAs. Pengarang: Arek Socha. Sumber: Pixabay.

Risiko

Ia adalah sebatian yang sangat toksik. Pendedahan yang berpanjangan atau berulang pada bahan ini menyebabkan kerosakan pada badan.

Gejala pendedahan boleh merangkumi hipotensi, kegagalan jantung, sawan, hipotermia, kelumpuhan, edema pernafasan, sianosis, sirosis hati, kerosakan ginjal, hematuria, dan leukopenia, antara lain.

Ia boleh menyebabkan barah dan merosakkan kesuburan. Ia beracun dan karsinogenik juga untuk haiwan.

Bahan buangan berbahaya

Peningkatan penggunaan GaA dalam alat elektronik telah menimbulkan kebimbangan mengenai nasib bahan ini di persekitaran dan potensi risiko terhadap kesihatan awam dan alam sekitar.

Terdapat risiko pelepasan arsenik terpendam (unsur toksik dan beracun) apabila alat yang mengandungi GaA dibuang di tapak pelupusan sisa pepejal perbandaran.

Kajian menunjukkan bahawa keadaan pH dan redoks di tapak pelupusan adalah penting untuk kakisan GaAs dan pembebasan arsenik. Pada pH 7.6 dan di bawah atmosfera oksigen yang normal, sehingga 15% metalloid toksik ini dapat dilepaskan.

Peralatan elektronik tidak boleh dibuang di tempat pembuangan sampah kerana GaA dapat melepaskan arsenik beracun. Pengarang: INESby. Sumber: Pixabay.

Rujukan

1. Perpustakaan Perubatan Nasional AS. (2019). Gallium arsenide. Dipulihkan dari pubchem.ncbi.nlm.nih.gov.
2. Choudhury, SA et al. (2019). Struktur nanostat logam untuk sel suria. Dalam Nanomaterials untuk Aplikasi Sel Suria. Dipulihkan dari sciencedirect.com.
3. Ramos-Ruiz, A. et al. (2018). Tingkah laku pencucian Gallium arsenide (GaAs) dan kimia permukaan berubah sebagai tindak balas terhadap pH dan O ₂ . Pengurusan Sisa 77 (2018) 1-9. Dipulihkan dari sciencedirect.com.
4. Schlesinger, TE (2001). Gallium Arsenide. Dalam Ensiklopedia Bahan: Sains dan Teknologi. Dipulihkan dari sciencedirect.com.
5. Mylvaganam, K. et al. (2015). Filem nipis keras. Filem GaAs. Hartanah dan pengeluaran. Dalam Nanocoatings Anti-Abrasive. Dipulihkan dari sciencedirect.com.
6. Lide, DR (penyunting) (2003). Buku Panduan CRC Kimia dan Fizik. CRC Press ^ke- 85 .
7. Elinoff, G. (2019). Gallium Arsenide: Pemain Lain dalam Teknologi Semikonduktor. Dipulihkan dari allaboutcircuits.com.
8. Silva, LH et al. (2012). Penyinaran laser GaAs 904-nm meningkatkan pemulihan jisim myofiber semasa regenerasi otot rangka yang sebelumnya dirosakkan oleh crotoxin. Lasers Med Sci 27, 993-1000 (2012). Dipulihkan dari link.springer.com.
9. Lee, S.-M. et al. (2015). Sel Suria Ultrathin GaAs Berprestasi Tinggi Diaktifkan dengan Struktur Nanostruktur Berkala Dielektrik Bersepadu Heterogen. ACS Nano. 2015 27 Okt; 9 (10): 10356-65. Dipulihkan dari ncbi.nlm.nih.gov.
10. Tanaka, A. (2004). Ketoksikan indium arsenide, gallium arsenide, dan aluminium gallium arsenide. Toxicol Appl Pharmacol. 2004 1 Ogos; 198 (3): 405-11. Dipulihkan dari ncbi.nlm.nih.gov.