镓:第一个预言成真的元素

楼主  收藏   举报   帖子创建时间:  2018-06-03 17:06 回复:0 关注量:735

苏更林

在化学元素发现史上,镓是第一个先根据元素周期律预言,后在实验中被发现证实的化学元素。镓在地壳中的含量仅为0.0015%,镓的熔点很低(29.75℃),在手掌上就可化为液态,而且镓还具有热缩冷胀性能。镓的优良特性使其广泛应用于半导体、太阳能、液态合金、医疗化工等诸多领域。

铜铟镓硒薄膜太阳能电池

电子工业的“脊梁”

1871年,俄国化学家门捷列夫在总结元素周期表时,认为在锌元素后面,铝元素下面应该还有一个未被发现的元素,其性质与铝元素相近,他称之为“类铝元素”。1875年,法国化学家布瓦博德兰从闪锌矿中找到了这个“类铝元素”,他以Gallia(高卢,拉丁语中对法国的称呼)一词将该元素命名为Gallium,元素符号定Ga,中文名为“镓”。

在一定的条件下,镓能与硫、硒、碲、磷、砷、锑等发生反应,从而生成镓的系列化合物,它们都是优质的半导体材料,被广泛应用于光电子领域和微波通信领域,被誉为是电子工业的“脊梁”。目前,消耗在半导体行业的金属镓资源大约占到了总消费量的80%~85%。随着电子信息工业的发展以及镓应用领域的拓展,金属镓的战略地位也越来越凸显。我国于2011年将镓列为战略储备金属,并开始重视对镓的战略储备。

砷化镓是继硅半导体材料之后的又一个应用最为广泛的半导体材料。砷化镓的最大特点是具有很好的光电性能,即在光照或外加电场的条件下,电子激发可以释放出光能来,并且其光发射效率也要比其他半导体材料高一些。20世纪80年代,砷化镓被广泛应用到微波器件、激光器和发光二极管等产品中,被人们认为是最有发展前途的半导体材料。

磷化镓是制作半导体发光元件的又一个优质材料。20世纪70年代,科学家先后用磷化镓作为基板开发出了可以发黄色、橙色和绿色光的发光二极管。到了80年代,砷化铝镓的应用导致了第一代高亮度发光二极管的诞生。到了90年代初,四元素半导体材料磷化铝镓铟的采用,使得发光二极管的发光效率有了很大的提高。用磷化铝镓铟制成的超高亮度红色、橙色、黄色和绿色发光二极管,可以应用于户外显示领域。

氮化镓是Ⅲ-Ⅴ族半导体材料中最具有希望的宽禁带光学材料,曾于20世纪90年代初成就了蓝色LED的辉煌。而蓝色LED的推出,又带来了白光LED照明的新纪元。目前,LED照明技术路线主要有三条,分别为蓝宝石、碳化硅和硅衬底氮化镓基LED技术路线。其中,前两条技术路线分别是以日本和美国为主发展起来的,而第三条技术路线是由我国发展起来的,有力地提升了我国LED技术在国际上的地位。我国科学家研制的硅衬底高光效氮化镓基蓝色发光二极管获得2015年度国家技术发明一等奖。

如今,氮化镓材料的研究与应用已成为全球半导体领域的前沿和热点,并成为研制微电子器件、光电子器件的第三代半导体材料。较宽的直接带隙、较强的原子键、较高的热导率以及较稳定的化学性,使其在光电子、高温大功率器件以及高频微波器件等方面有着广阔的应用前景。

太阳能电池中的“明星”

镓的化合物半导体材料做成的太阳能电池,可以把太阳能直接转变成电能,并且具有比较高的效率。随着太阳能电池材料的不断发展,人们对太阳能电池材料提出了更高的要求。比如,半导体材料的禁带宽度要适中,光电转化效率要高,材料制备过程和电池使用过程中不能存在环境污染,并且材料生产要能规模化等。在这样的背景下,薄膜太阳能电池引起了人们的重视,并成为了科技工作者的研究重点。现在,铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳能电池作为多元化合物薄膜电池的重要一员,其转化效率是所有薄膜太阳能电池中最高的。

在铜铟镓硒薄膜太阳能电池中,通过掺入适量镓替代部分同族的铟,并可以调节CIGS的禁带宽度,这是CIGS材料优于硅系光伏材料的根本所在。同时,CIGS材料的吸收系数很高,还具有较大范围的太阳光谱的响应特性。

铜铟镓硒薄膜太阳能电池具有转换效率高、材料来源广、生产成本低、污染小、无光衰、弱光性能好等显著特点,有望成为新一代有竞争力的商业化薄膜太阳能电池。

医学领域的“奇才”

在医疗领域中,镓合金主要是用作医疗器件和医用材料。例如,用镓合金作为牙齿填充材料,它是一种不含汞的牙体材料,其生物学性能明显优于银汞合金。在医疗诊断领域,镓的化合物也有用武之地。例如,枸橼酸镓注射液可用于肿瘤和炎症的定位诊断和鉴别诊断。

金属镓的熔点为29.75℃,金属铟的熔点为156.61℃,当它们以一定的配比制成合金后,在室温下就可以呈现液态了,因而有很好的流动性。利用镓铟液态合金制作的新型体温计,可作为环保型温度计取代水银温度计。

2015年6月,我国科学家宣布在世界上首次应用液态金属“缝合”了牛蛙断裂的坐骨神经,进而刷新了人们对人体神经连接与修复难题的认知。这种液态金属为镓铟锡合金。镓铟锡合金在常温下为液态,借助注射器可以进入到神经管道中进行“搭桥”,其信号传导效果几乎与未受伤的神经一样。结果,牛蛙一侧坐骨神经在遭受刺激时所产生的电信号,准确无误地传递到了另一侧的神经。这说明镓铟锡液态金属搭建的神经之“桥”几乎达到了完美的程度。这种完美的效果取决于镓铟锡液态合金杰出的导电性能。

镓铟锡液态合金不仅能保证断裂的神经末梢在“搭桥”连接下的快速联通,而且镓铟锡液态合金性能稳定,不与体液、周围器官组织发生反应,因此在X射线的照射下会呈现出极高的影像对比度。如果修复的神经恢复良好,那么可以把液态金属从体内抽离出来,不留任何痕迹。

尖端领域的“新秀”

2013年12月,我国科学家引入气流控制下的液态金属喷墨原理,可在任意表面上绘制电路。这种液态金属“墨水”是以金属镓为主要成分的合金组合,在室温下可以自由流动。

在现代电子工业中,印刷电路板已经不是什么新鲜事儿了。然而,利用液态金属喷墨电子打印方法来“绘制”电路可是一项十分新奇的发明。传统的印刷电路板制作流程通常需要经过电镀、蚀刻等工序,具有高能耗、高污染、高耗时等缺点,并且很难适应各种不同的基底表面。利用液态金属喷墨原理进行的电子打印方式可以在各种复杂的基底表面上“绘制”出任意的电路。

更令人惊奇的是,镓元素还被用于“液态金属机器”的制作呢!这里的“液态金属”通常是指熔点比较低的金属或合金材料,镓、镓铟合金以及镓铟锡合金等在室温下呈现液态,因此都属于“液态金属”。2015年4月,我国科学家在实验中发现,一个直径约为5毫米的液态镓金属球,在电解液中吞食了0.012克铝之后,能以每秒5厘米的速度前进。科学家认为,液态镓金属球的行为类似于自然界的简单软体动物的习性,能够把“吃”进的食物转化为能量,并且具有自主运动的能力,难怪科学家把它称为“液态金属软体动物”或“液态金属机器”。进一步的研究认为,“液态金属机器”之所以能从铝中获得自主运动的能量,是因为“液态金属”和活泼的铝形成原电池反应,从而产生电荷的运动,继而引起“液态金属”表面张力的不平衡,对易于变形的“液态金属”产生强大的推力。同时,在上述电化学反应过程中产生的氢气也对“液态金属”的马达行为施加了影响。

尽管基于镓及镓合金的“液态金属机器”的功能还是非常有限的,但是它带给人们的启示和影响却是十分深远的。比如,“液态金属机器”的自主变形和运动等特性,为人们研制实用化的智能马达、血管机器人以及流体泵送系统提供了思路和模板。随着“液态金属机器”的日趋完善和升级,想必会在执行高难度操作等方面取得新的突破,并有望在医疗、科研以及军事等领域发挥巨大作用。

不断拓展的“领地”

由于镓具有“热缩冷胀”的性质,因此具有比较好的铸造性,可以用其来制造铅字合金,这样可使字体更加清晰。利用镓的低熔点形成的含镓易熔合金,可应用于电路熔断器和各种保险装置以及自动灭火装置。利用镓与铜、镍、锡、金等成分可制成冷焊剂,以解决异型薄壁等难以焊接的难题。尽管镓的熔点非常低,但是它的沸点却非常高(2070℃)。利用镓的这个特性可以用其来制造测量高温的温度计,用这种温度计可以测量炼钢炉、反应炉、原子反应堆的温度。

在原子能工业中,镓可以作为热传导物质,把反应堆中的热量传导出来;同时,利用镓吸收中子的性能,可以控制中子的数目和反应速度。镓还被用来制造阴极蒸汽灯,将碘化镓加入到高压水银灯中,可以增大水银灯的辐射强度。

高性能磁材是现代机电工业、自动化工业和半导体工业必不可少的基础材料。在高性能磁材生产需要添加0.5‰~2‰的金属镓。在玻璃中添加金属镓可以增强玻璃的折射率,以此可以制造特种光学玻璃。用镓镜制作的反光镜可以把70%以上的光反射出去。在化工领域,镓及其化合物常被用作催化剂。例如,三氯化镓可用作生产乙基苯、丙基苯和酮的催化剂;国外开发的一种新型镍镓催化剂可以把氢和二氧化碳转化为甲醇;硝酸镓用作石油催化剂可以提高石油的开采效益。

【责任编辑】庞 云