GALI ARSENIDE: CẤU TRÚC, ĐẶC TÍNH, SỬ DỤNG, RỦI RO - HÓA HỌC - 2026

Các gallium arsenide một hợp chất vô cơ bao gồm yếu tố nguyên tử gallium (Ga) và nguyên tử asen (As). Công thức hóa học của nó là GaAs. Nó là một chất rắn màu xám đen có thể có ánh kim loại màu xanh lam-xanh lục.

Các cấu trúc nano của hợp chất này đã được tạo ra với tiềm năng sử dụng khác nhau trong nhiều lĩnh vực điện tử. Nó thuộc về một nhóm vật liệu được gọi là hợp chất III-V do vị trí của các nguyên tố của nó trong bảng tuần hoàn hóa học.

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

Nó là một vật liệu bán dẫn, có nghĩa là nó chỉ có thể dẫn điện trong những điều kiện nhất định. Nó được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị điện tử, chẳng hạn như bóng bán dẫn, GPS, đèn LED, laser, máy tính bảng và điện thoại thông minh.

Nó có đặc điểm cho phép dễ dàng hấp thụ ánh sáng và chuyển hóa thành năng lượng điện. Vì lý do này, nó được sử dụng trong pin mặt trời của vệ tinh và các phương tiện vũ trụ.

Nó cho phép tạo ra bức xạ xuyên qua các vật liệu khác nhau và cả các sinh vật sống mà không gây ra thiệt hại cho chúng. Việc sử dụng một loại tia laser GaAs để tái tạo khối cơ bị tổn thương bởi nọc rắn đã được nghiên cứu.

Tuy nhiên, nó là một hợp chất độc hại và có thể gây ung thư cho người và động vật. Thiết bị điện tử được thải bỏ trong các bãi chôn lấp có thể giải phóng asen nguy hiểm và có hại cho sức khỏe của con người, động vật và môi trường.

Kết cấu

Gali arsenide có tỷ lệ 1: 1 giữa nguyên tố nhóm III trong bảng tuần hoàn và nguyên tố nhóm V, đó là lý do tại sao nó được gọi là hợp chất III-V.

Nó được coi là một chất rắn liên kim loại bao gồm asen (As) và gali (Ga) với các trạng thái oxy hóa khác nhau, từ Ga ⁽⁰⁾ As ⁽⁰⁾ đến Ga ⁽⁺³⁾ As ^(-3) .

Tinh thể arsenide gali. W. Oelen / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0). Nguồn: Wikimedia Commons.

Danh pháp

• Gali arsenide
• Gali monoarsenide

Tính chất

Tình trạng thể chất

Chất rắn kết tinh màu xám đậm có ánh kim loại màu xanh lam hoặc bột màu xám. Tinh thể của nó là hình khối.

Tinh thể GaAs. Còn lại: mặt được đánh bóng. Bên phải: mặt thô. Nhà vật liệu học tại Wikipedia tiếng Anh / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0). Nguồn: Wikimedia Commons.

Trọng lượng phân tử

144,64 g / mol

Độ nóng chảy

1238 ºC

Tỉ trọng

5,3176 g / cm ³ ở 25 ° C.

Độ hòa tan

Trong nước: dưới 1 mg / mL ở 20 ° C.

Tính chất hóa học

Nó có một hyđrat có thể tạo thành muối axit. Nó ổn định trong không khí khô. Trong không khí ẩm ướt, nó tối sầm lại.

Nó có thể phản ứng với hơi nước, axit và khí axit, tạo ra khí độc được gọi là arsine, arsan, hoặc asen hydride (AsH ₃ ). Phản ứng với bazơ phát ra khí hiđro.

Nó bị tấn công bởi axit clohydric đậm đặc và các halogen. Khi nóng chảy nó tấn công thạch anh. Nếu nó bị ướt, nó sẽ tạo ra mùi tỏi và nếu nó bị đun nóng để phân hủy nó sẽ thải ra khí asen rất độc.

Các tính chất vật lý khác

Nó là một vật liệu bán dẫn có nghĩa là nó có thể hoạt động như một chất dẫn điện hoặc như một chất cách điện tùy thuộc vào các điều kiện mà nó phải chịu, chẳng hạn như điện trường, áp suất, nhiệt độ hoặc bức xạ mà nó nhận được.

Khoảng cách giữa các dải điện tử

Nó có độ rộng khe hở năng lượng là 1,424 eV (electron vôn). Chiều rộng của khe năng lượng, vùng cấm hay dải cấm (từ tiếng Anh là bandgap) là khoảng trống giữa các lớp vỏ electron của nguyên tử.

Khoảng trống năng lượng càng rộng thì năng lượng cần thiết của các electron càng lớn để “nhảy” sang lớp vỏ tiếp theo và làm cho chất bán dẫn chuyển sang trạng thái dẫn điện.

GaAs có khoảng cách năng lượng rộng hơn silicon và điều này làm cho nó có khả năng chống bức xạ cao. Nó cũng là chiều rộng khe hở trực tiếp, vì vậy nó có thể phát ra ánh sáng hiệu quả hơn silicon, có chiều rộng khe hở là gián tiếp.

Thu được

Nó có thể thu được bằng cách cho hỗn hợp khí gồm hiđro (H ₂ ) và asen qua gali (III) oxit (Ga ₂ O ₃ ) ở 600 ° C.

Nó cũng có thể được điều chế bằng phản ứng giữa gali (III) clorua (GaCl ₃ ) và asen oxit (As ₂ O ₃ ) ở 800 ° C.

Sử dụng trong pin mặt trời

Gali arsenide đã được sử dụng trong pin mặt trời từ những năm 1970, vì nó có các đặc tính quang điện vượt trội giúp nó có lợi thế hơn so với các vật liệu khác.

Nó hoạt động tốt hơn silicon trong việc chuyển đổi quang năng thành điện năng, cung cấp nhiều năng lượng hơn trong điều kiện nhiệt độ cao hoặc ánh sáng yếu, hai trong số những điều kiện phổ biến mà pin mặt trời phải chịu đựng, nơi có sự thay đổi về mức độ chiếu sáng và nhiệt độ.

Một số pin mặt trời này được sử dụng trong ô tô chạy bằng năng lượng mặt trời, xe không gian và vệ tinh.

GaAs pin mặt trời trên một vệ tinh nhỏ. Học viện Hải quân Hoa Kỳ / Miền công cộng. Nguồn: Wikimedia Commons.

Ưu điểm của GaAs cho ứng dụng này

Nó có khả năng chống lại độ ẩm và bức xạ tia cực tím, làm cho nó bền hơn trước các điều kiện môi trường và cho phép nó được sử dụng trong các ứng dụng hàng không vũ trụ.

Nó có hệ số nhiệt độ thấp, do đó nó không bị mất hiệu quả ở nhiệt độ cao và chống lại liều lượng bức xạ tích lũy cao. Các thiệt hại do bức xạ có thể được loại bỏ bằng cách tôi ở nhiệt độ chỉ 200 ° C.

Nó có hệ số hấp thụ photon ánh sáng cao, vì vậy nó có hiệu suất cao trong điều kiện ánh sáng yếu, tức là nó mất rất ít năng lượng khi có ánh sáng kém từ mặt trời.

Pin mặt trời GaAs hoạt động hiệu quả ngay cả trong điều kiện ánh sáng yếu. Tác giả: Arek Socha. Nguồn: Pixabay.

Nó tạo ra nhiều năng lượng trên một đơn vị diện tích hơn bất kỳ công nghệ nào khác. Điều này rất quan trọng khi bạn có một khu vực nhỏ như máy bay, xe cộ hoặc vệ tinh nhỏ.

Nó là một vật liệu linh hoạt và trọng lượng thấp, hiệu quả ngay cả khi được áp dụng trong các lớp rất mỏng, làm cho pin mặt trời rất nhẹ, linh hoạt và hiệu quả.

Pin mặt trời cho xe không gian

Các chương trình không gian đã sử dụng pin mặt trời GaAs trong hơn 25 năm.

Sự kết hợp của GaAs với các hợp chất khác của gecmani, indium và phốt pho đã giúp tạo ra pin mặt trời hiệu quả cao đang được sử dụng trong các phương tiện khám phá bề mặt của hành tinh sao Hỏa.

Phiên bản nghệ sĩ của chiếc tàu thám hiểm Curiosity trên sao Hỏa. Thiết bị này có pin mặt trời của GaAs. NASA / JPL-Caltech / Miền công cộng. Nguồn: Wikimedia Commons.

Nhược điểm của GaAs

Nó là một vật liệu rất đắt tiền so với silicon, là rào cản chính đối với việc triển khai thực tế của nó trong pin mặt trời trên cạn.

Tuy nhiên, các phương pháp sử dụng chúng trong các lớp cực mỏng đang được nghiên cứu, điều này sẽ làm giảm chi phí.

Sử dụng trong các thiết bị điện tử

GaAs có nhiều công dụng trong các thiết bị điện tử khác nhau.

Trong bóng bán dẫn

Bóng bán dẫn là phần tử phục vụ cho việc khuếch đại tín hiệu điện và đóng hoặc mở mạch, trong số các mục đích sử dụng khác.

Được sử dụng trong bóng bán dẫn, GaAs có tính linh động điện tử cao hơn và điện trở suất cao hơn silicon, vì vậy nó chịu được các điều kiện năng lượng cao hơn và tần số cao hơn, tạo ra ít tiếng ồn hơn.

Transistor GaAs dùng để khuếch đại công suất. Epop / CC0. Nguồn: Wikimedia Commons.

Trên GPS

Trong những năm 1980, việc sử dụng hợp chất này cho phép thu nhỏ hệ thống định vị toàn cầu hoặc máy thu GPS (Global Positioning System).

Hệ thống này giúp bạn có thể xác định vị trí của một vật thể hoặc con người trên toàn bộ hành tinh với độ chính xác từng centimet.

Gali arsenide được sử dụng trong hệ thống GPS. Tác giả: Foundry Co. Nguồn: Pixabay.

Trong các thiết bị quang điện tử

Màng GaAs thu được ở nhiệt độ tương đối thấp có các đặc tính quang điện tử tuyệt vời, chẳng hạn như điện trở suất cao (yêu cầu năng lượng cao để trở thành chất dẫn điện) và truyền điện tử nhanh chóng.

Khoảng cách năng lượng trực tiếp của nó làm cho nó thích hợp để sử dụng cho loại thiết bị này. Chúng là những thiết bị biến đổi năng lượng điện thành năng lượng bức xạ hoặc ngược lại, chẳng hạn như đèn LED, laser, máy dò, điốt phát quang, v.v.

Đèn led. Có thể chứa arsenide gali. Tác giả: Hebi B. Nguồn: Pixabay.

Trong bức xạ đặc biệt

Các đặc tính của hợp chất này đã thúc đẩy việc sử dụng nó để tạo ra bức xạ có tần số terahertz, là bức xạ có thể xuyên qua tất cả các loại vật liệu ngoại trừ kim loại và nước.

Bức xạ Terahertz, bởi vì nó không ion hóa, có thể được áp dụng để thu được hình ảnh y tế, vì nó không làm tổn thương các mô của cơ thể hoặc gây ra những thay đổi trong DNA như tia X.

Những bức xạ này cũng có thể giúp phát hiện vũ khí giấu trong người và hành lý, có thể được sử dụng trong các phương pháp phân tích quang phổ trong hóa học và sinh hóa, và có thể giúp khám phá các tác phẩm nghệ thuật ẩn giấu trong các tòa nhà rất cổ.

Điều trị y tế tiềm năng

Một loại tia laser GaAs đã được chứng minh là hữu ích trong việc tăng cường tái tạo các khối cơ bị tổn thương bởi một loại nọc rắn ở chuột. Tuy nhiên, các nghiên cứu được yêu cầu để xác định hiệu quả của nó trên người.

Nhiều đội khác nhau

Nó được sử dụng làm chất bán dẫn trong các thiết bị từ trở, nhiệt điện trở, tụ điện, truyền dữ liệu sợi quang điện tử, vi sóng, mạch tích hợp được sử dụng trong các thiết bị liên lạc vệ tinh, hệ thống radar, điện thoại thông minh (công nghệ 4G) và máy tính bảng.

Các mạch điện tử trong điện thoại thông minh có thể chứa GaA. Tác giả: Arek Socha. Nguồn: Pixabay.

Rủi ro

Nó là một hợp chất có độc tính cao. Tiếp xúc lâu dài hoặc lặp đi lặp lại với vật liệu này sẽ gây hại cho cơ thể.

Các triệu chứng khi phơi nhiễm có thể bao gồm hạ huyết áp, suy tim, co giật, hạ thân nhiệt, tê liệt, phù nề đường hô hấp, tím tái, xơ gan, tổn thương thận, tiểu máu và giảm bạch cầu, trong số nhiều triệu chứng khác.

Nó có thể gây ung thư và làm hỏng khả năng sinh sản. Nó cũng độc hại và gây ung thư cho động vật.

Chất thải nguy hại

Việc sử dụng ngày càng nhiều GaA trong các thiết bị điện tử đã làm dấy lên những lo ngại về số phận của vật liệu này trong môi trường và những nguy cơ tiềm ẩn của nó đối với sức khỏe cộng đồng và môi trường.

Có một nguy cơ tiềm ẩn về việc giải phóng asen (nguyên tố độc hại và độc hại) khi các thiết bị chứa GaAs được xử lý tại các bãi chôn lấp chất thải rắn của thành phố.

Các nghiên cứu cho thấy điều kiện pH và oxy hóa khử trong các bãi chôn lấp rất quan trọng đối với sự ăn mòn GaAs và giải phóng asen. Ở pH 7,6 và trong môi trường oxy bình thường, có thể giải phóng tới 15% lượng kim loại độc này.

Thiết bị điện tử không nên được vứt bỏ trong các bãi chôn lấp vì GaAs có thể giải phóng asen độc hại. Tác giả: INESby. Nguồn: Pixabay.

Người giới thiệu

1. Thư viện Y khoa Quốc gia Hoa Kỳ. (2019). Arsenide gali. Đã khôi phục từ pubchem.ncbi.nlm.nih.gov.
2. Choudhury, SA và cộng sự. (2019). Cấu trúc nano kim loại cho pin mặt trời. Trong Vật liệu nano cho các ứng dụng pin mặt trời. Được khôi phục từ sciricalirect.com.
3. Ramos-Ruiz, A. và cộng sự. (2018). Hành vi rửa trôi của gali arsenide (GaAs) và hóa học bề mặt thay đổi theo độ pH và O ₂ . Quản lý chất thải 77 (2018) 1-9. Được khôi phục từ sciricalirect.com.
4. Schlesinger, TE (2001). Gali Arsenide. Trong Encyclopedia of Materials: Science and Technology. Được khôi phục từ sciricalirect.com.
5. Mylvaganam, K. và cộng sự. (2015). Màng mỏng cứng. Phim GaAs. Thuộc tính và sản xuất. Trong lớp phủ Nano chống mài mòn. Được khôi phục từ sciricalirect.com.
6. Lide, DR (chủ biên) (2003). CRC Handbook of Chemistry and Physics. Lần ^thứ 85 CRC Press.
7. Elinoff, G. (2019). Gali Arsenide: Một người chơi khác trong công nghệ bán dẫn. Được khôi phục từ allaboutcircuits.com.
8. Silva, LH và cộng sự. (2012). Chiếu xạ laser GaAs 904-nm cải thiện sự phục hồi khối lượng sợi cơ trong quá trình tái tạo cơ xương bị tổn thương trước đó bởi crotoxin. Lasers Med Sci 27, 993-1000 (2012). Được khôi phục từ link.springer.com.
9. Lee, S.-M. et al. (2015). Tế bào năng lượng mặt trời siêu mỏng GaAs hiệu suất cao được kích hoạt với cấu trúc nano định kỳ điện môi tích hợp không đồng nhất. ACS Nano. 2015 ngày 27 tháng 10; 9 (10): 10356-65. Đã khôi phục từ ncbi.nlm.nih.gov.
10. Tanaka, A. (2004). Độc tính của arsenide indium, gallium arsenide và nhôm gallium arsenide. Toxicol Appl Pharmacol. 2004 ngày 1 tháng 8; 198 (3): 405-11. Đã khôi phục từ ncbi.nlm.nih.gov.