زرنيخيد الغاليوم: الهيكل ، الخصائص ، الاستخدامات ، المخاطر - كيمياء - 2025

و زرنيخيد مركب غير العضوية التي تتكون من عنصر الغاليوم ذرة (جورجيا) وذرة الزرنيخ (باسم). صيغته الكيميائية هي GaAs. إنه مادة صلبة رمادية داكنة يمكن أن يكون لها لمعان معدني أزرق وأخضر.

تم الحصول على الهياكل النانوية لهذا المركب مع إمكانية استخدامات مختلفة في العديد من مجالات الإلكترونيات. إنه ينتمي إلى مجموعة من المواد تسمى المركبات III-V نظرًا لموقع عناصرها في الجدول الدوري الكيميائي.

البنى النانوية GaAs. Яна Сычикова، Сергей Ковачёв / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0). المصدر: ويكيميديا ​​كومنز.

إنها مادة شبه موصلة ، مما يعني أنه لا يمكنها توصيل الكهرباء إلا في ظل ظروف معينة. يستخدم على نطاق واسع في الأجهزة الإلكترونية ، مثل الترانزستورات و GPS وأضواء LED والليزر والأجهزة اللوحية والهواتف الذكية.

لها خصائص تسمح لها بامتصاص الضوء بسهولة وتحويله إلى طاقة كهربائية. لهذا السبب يتم استخدامه في الخلايا الشمسية للأقمار الصناعية والمركبات الفضائية.

يسمح بتوليد إشعاع يخترق مختلف المواد وكذلك الكائنات الحية دون الإضرار بها. تمت دراسة استخدام نوع من ليزر GaAs الذي يجدد كتلة العضلات التي تضررت من سم الأفعى.

ومع ذلك ، فهو مركب سام ويمكن أن يسبب السرطان للإنسان والحيوان. يمكن للأجهزة الإلكترونية التي يتم التخلص منها في مكبات النفايات أن تطلق زرنيخًا خطيرًا وتضر بصحة الناس والحيوانات والبيئة.

بناء

يحتوي زرنيخيد الغاليوم على نسبة 1: 1 بين عنصر من المجموعة الثالثة في الجدول الدوري وعنصر من المجموعة الخامسة ، وهذا هو سبب تسميته بالمركب III-V.

يعتبر مادة صلبة معدنية مكونة من الزرنيخ (As) والغاليوم (Ga) مع حالات أكسدة تتراوح من Ga ⁽⁰⁾ As ⁽⁰⁾ إلى Ga ⁽⁺³⁾ As ^(-3).

بلورة زرنيخيد الغاليوم. دبليو أولين / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0). المصدر: ويكيميديا ​​كومنز.

التسمية

• مركب الزرنيخ
• أحادي الجاليوم

الخصائص

الحالة الفيزيائية

صلبة بلورية رمادية داكنة مع بريق معدني أزرق وأخضر أو ​​مسحوق رمادي. بلوراته مكعبة.

بلورات GaAs. اليسار: الجانب المصقول. على اليمين: الجانب الخشن. Materialscientist في الإنجليزية Wikipedia / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0). المصدر: ويكيميديا ​​كومنز.

الوزن الجزيئي الغرامي

144.64 جم / مول

نقطة الانصهار

1238 درجة مئوية

كثافة

5.3176 جم / سم ³ عند 25 درجة مئوية.

الذوبان

في الماء: أقل من 1 مجم / مل عند 20 درجة مئوية.

الخواص الكيميائية

يحتوي على هيدرات يمكن أن تشكل أملاحًا حمضية. إنه مستقر في الهواء الجاف. في الهواء الرطب يغمق.

يمكن أن تتفاعل مع البخار والأحماض والغازات الحمضية ، وتنبعث منها غازات سامة تسمى الزرنيخ أو الأرسان أو هيدريد الزرنيخ (AsH ₃). يتفاعل مع قواعد ينبعث منها غاز الهيدروجين.

يتم مهاجمته بواسطة حمض الهيدروكلوريك المركز والهالوجينات. عندما تذوب تهاجم الكوارتز. إذا تبللت ، فإنها تنبعث منها رائحة الثوم وإذا تم تسخينها للتحلل ، فإنها تنبعث منها غازات زرنيخ شديدة السمية.

الخصائص الفيزيائية الأخرى

إنها مادة شبه موصلة مما يعني أنها يمكن أن تتصرف كموصل للكهرباء أو كعازل حسب الظروف التي تتعرض لها ، مثل المجال الكهربائي أو الضغط أو درجة الحرارة أو الإشعاع الذي تتلقاه.

فجوة بين النطاقات الإلكترونية

يبلغ عرض فجوة الطاقة 1424 فولت (إلكترون فولت). عرض فجوة الطاقة ، النطاق المحظور أو فجوة الحزمة هي المسافة بين غلاف الإلكترون للذرة.

كلما اتسعت فجوة الطاقة ، زادت الطاقة التي تتطلبها الإلكترونات "للقفز" إلى الغلاف التالي وتتسبب في تغيير أشباه الموصلات إلى حالة التوصيل.

يحتوي GaAs على فجوة طاقة أكبر من السيليكون وهذا يجعله شديد المقاومة للإشعاع. إنه أيضًا عرض فجوة مباشر ، لذلك يمكن أن ينبعث الضوء بشكل أكثر فعالية من السيليكون ، الذي يكون عرض فجوته غير مباشر.

الحصول

يمكن الحصول عليه عن طريق تمرير خليط غازي من الهيدروجين (H ₂) والزرنيخ فوق أكسيد الغاليوم (III) (Ga ₂ O ₃) عند 600 درجة مئوية.

يمكن أيضًا تحضيره عن طريق التفاعل بين كلوريد الغاليوم (III) (GaCl ₃) وأكسيد الزرنيخ (As ₂ O ₃) عند 800 درجة مئوية.

استخدم في الخلايا الشمسية

تم استخدام زرنيخيد الغاليوم في الخلايا الشمسية منذ السبعينيات ، حيث يتمتع بخصائص كهروضوئية رائعة تمنحه ميزة على المواد الأخرى.

إنه يعمل بشكل أفضل من السيليكون في تحويل الطاقة الشمسية إلى كهرباء ، مما يوفر المزيد من الطاقة في ظل الحرارة العالية أو ظروف الإضاءة المنخفضة ، وهما من الظروف الشائعة التي تتحملها الخلايا الشمسية ، حيث توجد تغييرات في مستويات الإضاءة ودرجة الحرارة.

تُستخدم بعض هذه الخلايا الشمسية في السيارات التي تعمل بالطاقة الشمسية والمركبات الفضائية والأقمار الصناعية.

الخلايا الشمسية GaAs على قمر صناعي صغير. الأكاديمية البحرية الأمريكية / المجال العام. المصدر: ويكيميديا ​​كومنز.

مزايا GaAs لهذا التطبيق

إنه مقاوم للرطوبة والأشعة فوق البنفسجية ، مما يجعله أكثر متانة في مواجهة الظروف البيئية ويسمح باستخدامه في تطبيقات الفضاء.

لها معامل درجة حرارة منخفضة ، لذا فهي لا تفقد الكفاءة عند درجات الحرارة العالية وتقاوم الجرعات العالية المتراكمة من الإشعاع. يمكن إزالة الضرر الإشعاعي عن طريق التخفيف عند 200 درجة مئوية فقط.

لديها معامل امتصاص عالي لفوتونات الضوء ، لذلك فهي تتمتع بأداء عالٍ في الإضاءة المنخفضة ، أي أنها تفقد القليل جدًا من الطاقة عند ضعف الإضاءة من الشمس.

تعتبر الخلايا الشمسية GaAs فعالة حتى في الإضاءة المنخفضة. المؤلف: أريك سوشا. المصدر: Pixabay.

تنتج طاقة لكل وحدة مساحة أكثر من أي تقنية أخرى. هذا مهم عندما يكون لديك مساحة صغيرة مثل الطائرات أو المركبات أو الأقمار الصناعية الصغيرة.

إنها مادة مرنة ومنخفضة الوزن ، وهي فعالة حتى عند تطبيقها في طبقات رقيقة جدًا ، مما يجعل الخلية الشمسية خفيفة للغاية ومرنة وفعالة.

الخلايا الشمسية للمركبات الفضائية

استخدمت برامج الفضاء الخلايا الشمسية GaAs لأكثر من 25 عامًا.

أتاح الجمع بين GaAs والمركبات الأخرى من الجرمانيوم والإنديوم والفوسفور الحصول على خلايا شمسية عالية الكفاءة يتم استخدامها في المركبات التي تستكشف سطح كوكب المريخ.

نسخة الفنان من مركبة كيوريوسيتي المتجولة على سطح المريخ. يحتوي هذا الجهاز على خلايا شمسية من GaAs. NASA / JPL-Caltech / المجال العام. المصدر: ويكيميديا ​​كومنز.

مساوئ GaAs

إنها مادة باهظة الثمن مقارنة بالسيليكون ، الذي كان الحاجز الرئيسي لتطبيقها العملي في الخلايا الشمسية الأرضية.

ومع ذلك ، يتم دراسة طرق استخدامها في الطبقات الرقيقة للغاية ، مما يقلل التكاليف.

استخدم في الأجهزة الإلكترونية

يحتوي GaAs على استخدامات متعددة في الأجهزة الإلكترونية المختلفة.

في الترانزستورات

الترانزستورات هي عناصر تعمل على تضخيم الإشارات الكهربائية وفتح أو إغلاق الدوائر ، من بين استخدامات أخرى.

يستخدم GaAs في الترانزستورات ، وهو يتمتع بحركة إلكترونية أعلى ومقاومة أعلى من السيليكون ، لذلك فهو يتحمل ظروف طاقة أعلى وتردد أعلى ، مما ينتج عنه ضوضاء أقل.

يستخدم ترانزستور GaAs لتضخيم الطاقة. Epop / CC0.0 المصدر: ويكيميديا ​​كومنز.

على GPS

في الثمانينيات من القرن الماضي ، سمح استخدام هذا المركب بتصغير نظام تحديد المواقع العالمي أو مستقبلات GPS (نظام تحديد المواقع العالمي).

يتيح هذا النظام تحديد موضع كائن أو شخص على الكوكب بأكمله بدقة سنتيمترات.

يستخدم زرنيخيد الغاليوم في أنظمة GPS. المؤلف: شركة مسبك المصدر: Pixabay.

في الأجهزة الإلكترونية الضوئية

تتميز أفلام GaAs التي يتم الحصول عليها في درجات حرارة منخفضة نسبيًا بخصائص إلكترونية ضوئية ممتازة ، مثل المقاومة العالية (تتطلب طاقة عالية لتصبح موصلًا) ونقل الإلكترون السريع.

فجوة الطاقة المباشرة تجعله مناسبًا للاستخدام في هذا النوع من الأجهزة. هي الأجهزة التي تحول الطاقة الكهربائية إلى طاقة مشعة أو العكس ، مثل مصابيح LED ، والليزر ، وأجهزة الكشف ، والصمامات الثنائية الباعثة للضوء ، إلخ.

مصباح يدوي LED. قد يحتوي على زرنيخيد الغاليوم. المؤلف: Hebi B. المصدر: Pixabay.

في الإشعاع الخاص

دفعت خواص هذا المركب إلى استخدامه لتوليد إشعاع بترددات تيراهيرتز ، وهي إشعاع يمكنه اختراق جميع أنواع المواد باستثناء المعادن والماء.

إشعاع تيراهيرتز ، لأنه غير مؤين ، يمكن تطبيقه في الحصول على الصور الطبية ، لأنه لا يتلف أنسجة الجسم أو يسبب تغيرات في الحمض النووي مثل الأشعة السينية.

ستتيح هذه الإشعاعات أيضًا اكتشاف الأسلحة المخبأة في الأشخاص والأمتعة ، ويمكن استخدامها في طرق التحليل الطيفي في الكيمياء والكيمياء الحيوية ، ويمكن أن تساعد في الكشف عن الأعمال الفنية المخفية في المباني القديمة جدًا.

العلاج الطبي المحتمل

لقد ثبت أن نوعًا من ليزر GaAs مفيد في تعزيز تجديد كتلة العضلات التي تضررت بسبب نوع من سم الثعابين في الفئران. ومع ذلك ، فإن الدراسات مطلوبة لتحديد فعاليتها في البشر.

فرق مختلفة

يتم استخدامه كأشباه موصلات في أجهزة المقاومة المغناطيسية ، والثرمستورات ، والمكثفات ، ونقل بيانات الألياف الضوئية الكهروضوئية ، وأفران الميكروويف ، والدوائر المتكاملة المستخدمة في أجهزة اتصالات الأقمار الصناعية ، وأنظمة الرادار ، والهواتف الذكية (تقنية 4G) والأجهزة اللوحية.

يمكن أن تحتوي الدوائر الإلكترونية في الهواتف الذكية على GaAs. المؤلف: أريك سوشا. المصدر: Pixabay.

المخاطر

إنه مركب شديد السمية. يؤدي التعرض المطول أو المتكرر لهذه المادة إلى تلف الجسم.

يمكن أن تشمل أعراض التعرض انخفاض ضغط الدم ، قصور القلب ، النوبات ، انخفاض حرارة الجسم ، الشلل ، الوذمة التنفسية ، الازرقاق ، تليف الكبد ، تلف الكلى ، بيلة دموية ، ونقص الكريات البيض ، من بين أشياء أخرى كثيرة.

يمكن أن يسبب السرطان ويضر الخصوبة. كما أنها سامة ومسببة للسرطان للحيوانات.

النفايات الخطرة

أثار الاستخدام المتزايد لأحماض GaAs في الأجهزة الإلكترونية مخاوف بشأن مصير هذه المواد في البيئة ومخاطرها المحتملة على الصحة العامة والبيئية.

هناك خطر كامن من إطلاق الزرنيخ (عنصر سام وسام) عندما يتم التخلص من الأجهزة المحتوية على GaAs في مدافن النفايات الصلبة البلدية.

تشير الدراسات إلى أن ظروف الأس الهيدروجيني والاختزال في مدافن النفايات مهمة لتآكل الغاليوم وإطلاق الزرنيخ. عند درجة الحموضة 7.6 وتحت جو أكسجين عادي ، يمكن إطلاق ما يصل إلى 15٪ من هذا الفلزات السامة.

لا ينبغي التخلص من المعدات الإلكترونية في مدافن النفايات حيث يمكن أن تطلق زرنيخ GaAs السام. المؤلف: INESby. المصدر: Pixabay.

المراجع

1. المكتبة الوطنية الأمريكية للطب. (2019). مركب الزرنيخ. تعافى من pubchem.ncbi.nlm.nih.gov.
2. شودري ، سا وآخرون. (2019). الهياكل النانوية المعدنية للخلايا الشمسية. في المواد النانوية لتطبيقات الخلايا الشمسية. تعافى من sciencedirect.com.
3. راموس رويز ، إيه وآخرون. (2018). زرنيخ الغاليوم (الغاليوم) الرشح السلوك وسطح التغييرات الكيمياء ردا على درجة الحموضة وO ₂. إدارة النفايات 77 (2018) 1-9. تعافى من sciencedirect.com.
4. شليزنجر ، تي إي (2001). مركب الزرنيخ. في موسوعة المواد: العلوم والتكنولوجيا. تعافى من sciencedirect.com.
5. ميلفاغانام ، ك وآخرون. (2015). أفلام رقيقة صلبة. فيلم GaAs. الخصائص والإنتاج. في طلاء النانو المضادة للجلخ. تعافى من sciencedirect.com.
6. Lide ، DR (محرر) (2003). كتيب CRC للكيمياء والفيزياء. 85 ^تشرين CRC برس.
7. إلينوف ، ج. (2019). زرنيخيد الغاليوم: لاعب آخر في تكنولوجيا أشباه الموصلات. تعافى من allaboutcircuits.com.
8. سيلفا ، إل إتش وآخرون. (2012). يعمل الإشعاع بالليزر GaAs 904-nm على تحسين استعادة كتلة الليف العضلي أثناء تجديد عضلات الهيكل العظمي التي تضررت سابقًا بسبب الكروتوكسين. ليزر ميد سسي 27 ، 993-1000 (2012). تعافى من link.springer.com.
9. لي ، S.-M. وآخرون. (2015). تم تمكين الخلايا الشمسية عالية الأداء من الغاليوم الرقيق للغاية مع هياكل نانوية دورية عازلة متكاملة بشكل غير متجانس. ACS نانو. 2015 أكتوبر 27 ؛ 9 (10): 10356-65. تعافى من ncbi.nlm.nih.gov.
10. تاناكا ، أ. (2004). سمية زرنيخيد الإنديوم وزرنيخيد الغاليوم وزرنيخيد الألومنيوم الغاليوم. توكسيكول أبل فارماكول. 2004 1 أغسطس 198 (3): 405-11. تعافى من ncbi.nlm.nih.gov.