גליום

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית
קפיצה אל: ניווט, חיפוש
גרמניום - גליום - אבץ
 
Al
Ga
In  
 
 
Ga-TableImage.png
כללי
מספר אטומי 31
סמל כימי Ga
סדרה כימית מוליכים למחצה
צפיפות 5904 kg/m3
מראה
לבן כסוף
Gallium crystals.jpg
תכונות אטומיות
משקל אטומי 69.723 amu
רדיוס ואן דר ואלס 187 pm
סידור אלקטרונים ברמות אנרגיה 2, 8, 18, 3
תכונות פיזיקליות
מצב צבירה בטמפ' החדר מוצק
טמפרטורת התכה 303.06K (29.91°C)
טמפרטורת רתיחה 2477.15K (2204°C)
לחץ אדים 9.31 E-36Pa ב-302.9K
מהירות הקול 2740 מטר לשנייה ב293.15K
שונות
אלקטרושליליות 1.81
קיבול חום סגולי 370 J/(kg·K)
מוליכות חשמלית 6.78 106/m·Ω
מוליכות תרמית 40.6 W/(m·K)
אנרגיית יינון ראשונה 578.8 kJ/mol
אנרגיית יינון שנייה 1979.3 kJ/mol
אנרגיית יינון שלישית 2963 kJ/mol
אנרגיית יינון רביעית 6180 kJ/mol

גליום (Gallium) הוא יסוד כימי שסמלו הכימי Ga ומספרו האטומי 31. היישום העיקרי של הגליום הוא במוליכים למחצה מורכבים, ובמיוחד במוליך למחצה גליום ארסניד ובגליום ניטריד.

תכונות[עריכת קוד מקור | עריכה]

סכמה של מבנה גבישי אורתורומבי

גליום היא מתכת כסופה הניתכת בטמפרטורה של 29.9°C, והיא אחת מחמש המתכות היציבות שניתכות מתחת או סמוך לטמפרטורת החדר (25°C), המתכות האחרות הן כספית, צסיום, פרנציום ורובידיום. תכונה יוצאת דופן נוספת שלו הנה לחץ האדים הנמוך שלה גם בטמפרטורות גבוהות (בניגוד לכספית, שבטמפרטורת החדר מתנדפת). בדומה למים, גליום מגדיל את נפחו כאשר הוא מתמצק ולא מקטין אותו כמו מרבית החומרים האחרים (צפיפות גליום מוצק נמוכה מזו של גליום נוזלי ב־3.1 אחוז), לכן רצוי לא לשמור אותו בכלי זכוכית. הגליום הוא מתכת דיאמגנטית.

גליום הוא אחד מהיסודות שאת קיומם ניבא מנדלייב על סמך הטבלה המחזורית שיצר, מנדלייב גם חזה את רוב תכונותיו. גליום יכול לגרום להחלדה של מתכת כשהוא מפעפע וחודר לסריג שלה.

בשיווי משקל בתנאים סטנדרטיים לגליום מבנה גבישי אורתורומבי (ראה איור) בפאזה המסומנת α. תא היחידה מכיל 8 אטומים, ולכל אטום שכן אחד קרוב ביותר בתא היחידה, הנמצא במרחק של 224 פיקומטר. ששת האטומים הנותרים בתא היחידה נמצאים במרחקים של 27, 30 ו-39 פיקומטר יותר מאשר השכן הקרוב הראשון, והם מחולקים לזוגות בעלי אותו המרחק.[1] בנוסף לצורה זו לגליום מבנים גבישיים יציבים ומטא-סטביליים נוספים רבים, כדוגמת הפאזות המסומנות β,γ, δ ו-ε אשר יכולות להתקיים בלחצים אטמוספיריים.

גליום ברמת טוהר גבוהה של 99.9999% (6N) המשמש לייצור מוליכים למחצה. על מנת לשמור על ניקיונו הוא נשמר בריק במבחנת זכוכית.
נורות LED כחולות המבוססות על מוליכים למחצה המכילים גליום

שימושים[עריכת קוד מקור | עריכה]

מוליכים למחצה[עריכת קוד מקור | עריכה]

היישום העיקרי של גליום הוא כחלק ממוליכים למחצה מורכבים, ובמיוחד גליום ארסניד (GaAs), גליום ניטריד (GaN) וסגסוגות מהמשפחה שלהם (כגון AlxGa1-xAs, InxGa1-xAs ו- AlxGa1-xN). גליום מרכיב גם במוליכים למחצה מורכבים נוספים כגון גליום פוספיד (GaP) וגליום אנטימוניד (GaSb).[2]

גליום ארסניד ותרכובותיו משמשים בעיקר למעגלים בתדרי מיקרוגל, מעגלי מיתוג מהיר, מעגלי תת-אדום והתקנים אלקטרואופטיים כגון לייזרים, LED, גלאים, ותאים סולריים ביעילות גבוהה. יישומים של גליום ניטריד הם נפוצים פחות והם כוללים נורות LED באורכי גל נמוכים (כחול וסביבתו) ולייזרים.

המוליך למחצה המורכב אינדיום גליום ארסניד (InGaAs) נחקר בשנים האחרונות במרץ עבור יישומים של MOSFET, במיוחד בגלל מוביליות אלקטרונים הגבוהה משמעותית מזו של סיליקון המאפשרת שיפור במהירות של התקנים ובביצועיהם. האתגר המשמעותי בחומרים אלה הוא פסיבציה חשמלית מתאימה של הממשק בין המוליך למחצה לבין המבודד, אשר יוצר מלכודות לנושאי מטען. אחד הכיוונים להתמודדות עם האתגר הוא שיקוע שכבות דקות של אלומינה בשיטת ALD אחרי ניקיון של פני השטח.

גליום משמש גם כמאלח (מסמם) במספר מוליכים למחצה. בגרמניום למשל, הגליום משמש כאקספטור רדוד (תורם חור להולכה) בגובה של כ-11 מיליאלקטרון-וולט מעל פס הערכיות.[2]

פרוסה בקוטר 2 אינץ' של גליום ארסנייד חד-גבישי

שימושים אחרים[עריכת קוד מקור | עריכה]

למרות שמוליכים למחצה היוו 98% מצריכת הגליום בארצות הברית בשנת 2007, לגליום יש מספר יישומים משניים גם בתחומים אחרים

  • ניתן לייצר מגליום מראות מצוינות.
  • גליום משתלב בקלות עם מתכות אחרות ויוצר סגסוגות אוטקטיות עם נקודות היתוך נמוכות יחסית. מחקרים תומכים בשילוב גליום בסגסוגת אמלגם (שאיתה מבצעים סתימות ברפואת שיניים), הסגסוגת עדיין לא התקבלה.
  • תוספת של עד 2% גליום לחומרי הלחמה יכול לסייע לתכונותיהם.
  • סגסוגות של גליום ואלומיניום נבחנו עבור הפקת מימן.
  • הוצע שסגסוגת גליום ובדיל תהיה חומר קירור למעבדי מחשבים במקום מים.
  • למספר תרכובות גליום יש שימושים מגוונים בתעשיית התרופות. לדוגמה, קומפלקס אמין-פנול של גליום המכונה MR045 נמצא כיעיל לטיפול בטפילים הגורמים מלריה.
  • מלחים של האיזוטופ גליום-67 משמשים בתחום הרפואה הגרעינית ומסייעים בפרוצדורות דימות גרעיני.
  • גליום משמש כמרכיב בסגסוגות מוליכים למחצה ניסיוניים עבור תאים סולריים. הסגסוגות מכונות CIGS על שם היסודות נחושת, אינדיום, גליום וסלניום המרכיבים אותן. בגלל מחירו דורות מתקדמים יותר של סגסוגות אלו אינן מכילות גליום אלא אבץ ובדיל או חומרים אחרים (כדוגמה הסגסוגת המכונה CTZS).

היסטוריה[עריכת קוד מקור | עריכה]

מקור השם הנו במלה הלטינית גליה שמשמעותה צרפת ובמובן הרחב יותר גם בלגיה וחלקים מהולנד. הגליום זוהה ב-1875 כאשר בדקו את הספקטרום של דגימת אבץ מהפירנאים. לפני גילויו, רוב תכונותיו נחזו על ידי מנדלייב לפי מיקומו בטבלה המחזורית שקרא לו אקא-אלומיניום. מאוחר יותר ב־1875 לקוק דה בואבודרן (Lecoq de Boisbaudran) הפיק גליום מתכתי בעזרת אלקטרוליזה של Ga(OH)3 בתמיסת אשלגן הידרוקסידי (KOH) והוא שנתן לו את שמו. נטען כי לקוק קרא ליסוד על שם עצמו: Le Coq פירושו בצרפתית תרנגול ובלטינית Gallus, לה-קוק עצמו הכחיש את הטענה.

צורה בטבע[עריכת קוד מקור | עריכה]

גליום טהור לא קיים בטבע. מקור הגליום העיקרי הוא לא אחת מתרכובותיו, הוא ממוצה מחומרים שבהם נמצא בכמויות קטנות כמו בוקסיט, פחם, גרמניט ועוד. השירות הגאולוגי של ארצות הברית (UGGS) העריך שגליום נמצא בריכוז 50 חלקים למיליון (ppm) ממשקל מבוקסיט או מחצבי אבץ. אבק שנוצר משריפת פחם מכיל 1.5% גליום.

אמצעי זהירות[עריכת קוד מקור | עריכה]

המידע לגבי רעילות הגליום אינו חד־משמעי. כמה מקורות מציעים שהוא יכול לגרום לדלקת בעור כתוצאה מחשיפה ממושכת, בעוד מקורות אחרים מראים שאין כל קשר בין שני המקרים. [דרוש מקור] גליום ארסניד דורש זהירות רבה יותר, וזאת בעיקר בגלל הסכנות הנובעות מהארסן שהוא מכיל.

הערות שוליים[עריכת קוד מקור | עריכה]

קישורים חיצוניים[עריכת קוד מקור | עריכה]