GALLIUMARSENID: STRUKTUR, EIGENSCHAFTEN, VERWENDUNGEN, RISIKEN - CHEMIE - 2025

Das Galliumarsenid ist eine anorganische Verbindung bestehend aus Galliumatomelement (Ga) und Arsenatom (As). Seine chemische Formel lautet GaAs. Es ist ein dunkelgrauer Feststoff, der einen blaugrünen metallischen Glanz haben kann.

Nanostrukturen dieser Verbindung wurden mit Potenzial für verschiedene Anwendungen in vielen Bereichen der Elektronik erhalten. Aufgrund der Position seiner Elemente im chemischen Periodensystem gehört es zu einer Gruppe von Materialien, die als Verbindungen III-V bezeichnet werden.

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

Es ist ein Halbleitermaterial, was bedeutet, dass es Elektrizität nur unter bestimmten Bedingungen leiten kann. Es wird häufig in elektronischen Geräten wie Transistoren, GPS, LED-Leuchten, Lasern, Tablets und Smartphones verwendet.

Es hat Eigenschaften, die es ihm ermöglichen, Licht leicht zu absorbieren und in elektrische Energie umzuwandeln. Aus diesem Grund wird es in Solarzellen von Satelliten und Raumfahrzeugen eingesetzt.

Es ermöglicht die Erzeugung von Strahlung, die verschiedene Materialien und auch lebende Organismen durchdringt, ohne diese zu beschädigen. Die Verwendung eines GaAs-Lasertyps, der durch Schlangengift geschädigte Muskelmasse regeneriert, wurde untersucht.

Es ist jedoch eine toxische Verbindung und kann bei Menschen und Tieren Krebs verursachen. Elektronische Geräte, die auf Mülldeponien entsorgt werden, können gefährliches Arsen freisetzen und die Gesundheit von Menschen, Tieren und der Umwelt schädigen.

Struktur

Galliumarsenid hat ein 1: 1-Verhältnis zwischen einem Element der Gruppe III des Periodensystems und einem Element der Gruppe V, weshalb es als Verbindung III-V bezeichnet wird.

Es wird als intermetallischer Feststoff aus Arsen (As) und Gallium (Ga) mit Oxidationsstufen von Ga ⁽⁰⁾ As ⁽⁰⁾ bis Ga ⁽⁺³⁾ As ^{(-3) angesehen} .

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

Nomenklatur

• Galliumarsenid
• Galliummonoarsenid

Eigenschaften

Körperlicher Status

Dunkelgrauer kristalliner Feststoff mit blaugrünem Metallglanz oder grauem Pulver. Seine Kristalle sind kubisch.

GaAs-Kristalle. Links: polierte Seite. Rechts: raue Seite. Materialwissenschaftler bei der englischen Wikipedia / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0). Quelle: Wikimedia Commons.

Molekulargewicht

144,64 g / mol

Schmelzpunkt

1238 ºC

Dichte

5,3176 g / cm ³ bei 25 ° C.

Löslichkeit

In Wasser: weniger als 1 mg / ml bei 20 ° C.

Chemische Eigenschaften

Es hat ein Hydrat, das saure Salze bilden kann. Es ist in trockener Luft stabil. In feuchter Luft verdunkelt es sich.

Es kann mit Dampf, Säuren und sauren Gasen reagieren und das giftige Gas Arsin, Arsan oder Arsenhydrid (AsH ₃ ) abgeben . Reagiert mit Basen, die Wasserstoffgas emittieren.

Es wird von konzentrierter Salzsäure und von Halogenen angegriffen. Wenn es geschmolzen ist, greift es den Quarz an. Wenn es nass wird, gibt es einen Knoblauchgeruch ab und wenn es zur Zersetzung erhitzt wird, gibt es hochgiftige Arsengase ab.

Andere physikalische Eigenschaften

Es ist ein Halbleitermaterial, was bedeutet, dass es sich je nach den Bedingungen, denen es ausgesetzt ist, wie dem elektrischen Feld, dem Druck, der Temperatur oder der Strahlung, die es empfängt, als elektrischer Leiter oder als Isolator verhalten kann.

Lücke zwischen elektronischen Bands

Es hat eine Energielückenbreite von 1.424 eV (Elektronenvolt). Die Breite der Energielücke, des verbotenen Bandes oder der Bandlücke ist der Raum zwischen den Elektronenschalen eines Atoms.

Je größer die Energielücke ist, desto größer ist die Energie, die die Elektronen benötigen, um zur nächsten Hülle zu "springen" und den Halbleiter in einen leitenden Zustand zu versetzen.

GaAs hat eine größere Energielücke als Silizium und ist daher sehr strahlungsbeständig. Es ist auch eine direkte Spaltbreite, so dass es Licht effektiver emittieren kann als Silizium, dessen Spaltbreite indirekt ist.

Erhalten

Es kann erhalten werden, indem ein gasförmiges Gemisch aus Wasserstoff (H ₂ ) und Arsen bei 600 ° C über Gallium (III) -oxid (Ga ₂ O ₃ ) geleitet wird.

Es kann auch durch Reaktion zwischen Gallium (III) chlorid (GaCl ₃ ) und Arsenoxid (As ₂ O ₃ ) bei 800 ° C hergestellt werden.

Verwendung in Solarzellen

Galliumarsenid wird seit den 1970er Jahren in Solarzellen verwendet, da es hervorragende photovoltaische Eigenschaften aufweist, die ihm einen Vorteil gegenüber anderen Materialien verschaffen.

Es ist besser als Silizium bei der Umwandlung von Sonnenenergie in Elektrizität und liefert mehr Energie bei starker Hitze oder schlechten Lichtverhältnissen. Dies sind zwei der häufigsten Bedingungen, unter denen Solarzellen leiden, wenn sich das Beleuchtungsniveau und die Temperatur ändern.

Einige dieser Solarzellen werden in solarbetriebenen Autos, Raumfahrzeugen und Satelliten eingesetzt.

GaAs-Solarzellen auf einem kleinen Satelliten. United States Naval Academy / gemeinfrei. Quelle: Wikimedia Commons.

Vorteile von GaAs für diese Anwendung

Es ist beständig gegen Feuchtigkeit und ultraviolette Strahlung, was es widerstandsfähiger gegen Umgebungsbedingungen macht und den Einsatz in Luft- und Raumfahrtanwendungen ermöglicht.

Es hat einen niedrigen Temperaturkoeffizienten, verliert also bei hohen Temperaturen nicht an Effizienz und widersteht hohen akkumulierten Strahlungsdosen. Strahlenschäden können durch Tempern bei nur 200 ° C beseitigt werden.

Es hat einen hohen Absorptionskoeffizienten von Lichtphotonen, so dass es bei schlechten Lichtverhältnissen eine hohe Leistung aufweist, dh es verliert sehr wenig Energie, wenn die Sonne schlecht beleuchtet wird.

GaAs-Solarzellen sind auch bei schlechten Lichtverhältnissen effizient. Verfasser: Arek Socha. Quelle: Pixabay.

Es produziert mehr Energie pro Flächeneinheit als jede andere Technologie. Dies ist wichtig, wenn Sie einen kleinen Bereich wie Flugzeuge, Fahrzeuge oder kleine Satelliten haben.

Es ist ein flexibles und leichtes Material, das auch in sehr dünnen Schichten effizient ist, wodurch die Solarzelle sehr leicht, flexibel und effizient ist.

Solarzellen für Raumfahrzeuge

Weltraumprogramme verwenden seit mehr als 25 Jahren GaAs-Solarzellen.

Die Kombination von GaAs mit anderen Verbindungen von Germanium, Indium und Phosphor hat es ermöglicht, hocheffiziente Solarzellen zu erhalten, die in Fahrzeugen verwendet werden, die die Oberfläche des Planeten Mars erkunden.

Künstlerversion des Curiosity Rovers auf dem Mars. Dieses Gerät verfügt über GaAs-Solarzellen. NASA / JPL-Caltech / Public Domain. Quelle: Wikimedia Commons.

Nachteil von GaAs

Es ist ein sehr teures Material im Vergleich zu Silizium, das das Haupthindernis für seine praktische Implementierung in terrestrischen Solarzellen darstellt.

Es werden jedoch Methoden für ihre Verwendung in extrem dünnen Schichten untersucht, wodurch die Kosten gesenkt werden.

Verwendung in elektronischen Geräten

GaAs hat mehrere Verwendungsmöglichkeiten in verschiedenen elektronischen Geräten.

In Transistoren

Transistoren sind Elemente, die unter anderem dazu dienen, elektrische Signale zu verstärken und Stromkreise zu öffnen oder zu schließen.

GaAs wird in Transistoren verwendet und hat eine höhere elektronische Mobilität und einen höheren spezifischen Widerstand als Silizium. Daher toleriert es Bedingungen mit höherer Energie und höherer Frequenz und erzeugt weniger Rauschen.

GaAs-Transistor zur Leistungsverstärkung. Epop / CC0. Quelle: Wikimedia Commons.

Auf GPS

In den 1980er Jahren ermöglichte die Verwendung dieser Verbindung die Miniaturisierung der Global Positioning System- oder GPS-Empfänger (Global Positioning System).

Dieses System ermöglicht es, die Position eines Objekts oder einer Person auf dem gesamten Planeten mit einer Genauigkeit von Zentimetern zu bestimmen.

Galliumarsenid wird in GPS-Systemen verwendet. Autor: Foundry Co. Quelle: Pixabay.

In optoelektronischen Geräten

Bei relativ niedrigen Temperaturen erhaltene GaAs-Filme weisen ausgezeichnete optoelektronische Eigenschaften auf, wie einen hohen spezifischen Widerstand (erfordert hohe Energie, um ein Leiter zu werden) und einen schnellen Elektronentransfer.

Aufgrund seiner direkten Energielücke ist es für den Einsatz in diesem Gerätetyp geeignet. Dies sind Geräte, die elektrische Energie in Strahlungsenergie umwandeln oder umgekehrt, wie LED-Leuchten, Laser, Detektoren, Leuchtdioden usw.

LED-Taschenlampe. Kann Galliumarsenid enthalten. Autor: Hebi B. Quelle: Pixabay.

Bei besonderer Strahlung

Die Eigenschaften dieser Verbindung haben ihre Verwendung veranlasst, Strahlung mit Terahertz-Frequenzen zu erzeugen, bei denen es sich um Strahlung handelt, die alle Arten von Materialien außer Metallen und Wasser durchdringen kann.

Terahertz-Strahlung kann, da sie nicht ionisierend ist, zur Gewinnung medizinischer Bilder verwendet werden, da sie das Körpergewebe nicht schädigt oder Veränderungen der DNA wie Röntgenstrahlen verursacht.

Diese Strahlung würde es auch ermöglichen, versteckte Waffen in Personen und Gepäck zu entdecken, kann in spektroskopischen Analysemethoden in der Chemie und Biochemie verwendet werden und könnte dazu beitragen, versteckte Kunstwerke in sehr alten Gebäuden aufzudecken.

Mögliche medizinische Behandlung

Es hat sich gezeigt, dass eine Art von GaAs-Laser hilfreich ist, um die Regeneration von Muskelmasse zu verbessern, die durch eine Art Schlangengift bei Mäusen geschädigt wird. Es sind jedoch Studien erforderlich, um die Wirksamkeit beim Menschen zu bestimmen.

Verschiedene Teams

Es wird als Halbleiter in Magnetwiderstandsgeräten, Thermistoren, Kondensatoren, fotoelektronischen Glasfaserdatenübertragungen, Mikrowellen, integrierten Schaltkreisen für Geräte für die Satellitenkommunikation, Radarsystemen, Smartphones (4G-Technologie) und Tablets verwendet.

Elektronische Schaltungen in Smartphones können GaAs enthalten. Verfasser: Arek Socha. Quelle: Pixabay.

Risiken

Es ist eine hochgiftige Verbindung. Längerer oder wiederholter Kontakt mit diesem Material führt zu einer Schädigung des Körpers.

Expositionssymptome können unter anderem Hypotonie, Herzinsuffizienz, Krampfanfälle, Unterkühlung, Lähmung, Atemödeme, Zyanose, Leberzirrhose, Nierenschäden, Hämaturie und Leukopenie sein.

Es kann Krebs verursachen und die Fruchtbarkeit beeinträchtigen. Es ist giftig und krebserregend auch für Tiere.

Gefährliche Abfälle

Die zunehmende Verwendung von GaAs in elektronischen Geräten hat zu Bedenken hinsichtlich des Verbleibs dieses Materials in der Umwelt und seiner potenziellen Risiken für die öffentliche Gesundheit und die Gesundheit der Umwelt geführt.

Es besteht ein latentes Risiko der Freisetzung von Arsen (giftiges und giftiges Element), wenn GaAs-haltige Geräte auf Mülldeponien entsorgt werden.

Studien zeigen, dass pH- und Redoxbedingungen auf Deponien für die GaAs-Korrosion und die Arsenfreisetzung wichtig sind. Bei pH 7,6 und unter normaler Sauerstoffatmosphäre können bis zu 15% dieses toxischen Metalloids freigesetzt werden.

Elektronische Geräte sollten nicht auf Mülldeponien entsorgt werden, da GaAs das giftige Arsen freisetzen kann. Autor: INESby. Quelle: Pixabay.

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