โครงสร้างแกลเลียมอาร์เซไนด์คุณสมบัติการใช้ความเสี่ยง - เคมี - 2026

แกลเลียม arsenideสารอนินทรีประกอบด้วยธาตุแกลเลียมอะตอม (GA) และอะตอมสารหนู (As) สูตรทางเคมีคือ GaAs มันเป็นของแข็งสีเทาเข้มที่สามารถมีเงาโลหะสีฟ้าอมเขียว

โครงสร้างนาโนของสารประกอบนี้มีศักยภาพสำหรับการใช้งานที่หลากหลายในอิเล็กทรอนิกส์หลายสาขา มันอยู่ในกลุ่มของวัสดุที่เรียกว่าสารประกอบ III-V เนื่องจากตำแหน่งขององค์ประกอบในตารางธาตุทางเคมี

โครงสร้างนาโนของ GaAs ЯнаСычикова, СергейКовачёв / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0) ที่มา: Wikimedia Commons

เป็นวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ซึ่งหมายความว่าสามารถนำไฟฟ้าได้ภายใต้เงื่อนไขบางประการเท่านั้น มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เช่นทรานซิสเตอร์ GPS ไฟ LED เลเซอร์แท็บเล็ตและสมาร์ทโฟน

มีลักษณะที่ช่วยให้ดูดซับแสงได้ง่ายและเปลี่ยนเป็นพลังงานไฟฟ้า ด้วยเหตุนี้จึงใช้ในเซลล์แสงอาทิตย์ของดาวเทียมและยานอวกาศ

ช่วยให้สามารถสร้างรังสีที่ทะลุผ่านวัสดุต่าง ๆ และสิ่งมีชีวิตได้โดยไม่ทำให้เกิดความเสียหาย มีการศึกษาการใช้เลเซอร์ GaAs ชนิดหนึ่งที่สร้างมวลกล้ามเนื้อที่เสียหายจากพิษงู

อย่างไรก็ตามมันเป็นสารประกอบที่เป็นพิษและสามารถก่อให้เกิดมะเร็งในคนและสัตว์ อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่กำจัดในหลุมฝังกลบสามารถปล่อยสารหนูที่เป็นอันตรายและเป็นอันตรายต่อสุขภาพของคนสัตว์และสิ่งแวดล้อม

โครงสร้าง

แกลเลียมอาร์เซไนด์มีอัตราส่วน 1: 1 ระหว่างองค์ประกอบของกลุ่ม III ของตารางธาตุกับองค์ประกอบของกลุ่ม V ซึ่งเป็นสาเหตุที่เรียกว่าสารประกอบ III-V

ก็ถือว่าเป็น intermetallic ของแข็งประกอบด้วยสารหนู (As) และแกลเลียม (GA) กับรัฐออกซิเดชันตั้งแต่ Ga ⁽⁰⁾ในฐานะที่เป็น⁽⁰⁾เพื่อ Ga ⁽³⁾ในฐานะที่เป็น(-3)

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

ศัพท์เฉพาะ

• แกลเลียมอาร์เซไนด์
• แกลเลียม monoarsenide

คุณสมบัติ

สภาพร่างกาย

ผลึกแข็งสีเทาเข้มมีความมันวาวของโลหะสีเขียวอมฟ้าหรือผงสีเทา ผลึกของมันเป็นลูกบาศก์

GaAs คริสตัล ซ้าย: ขัดด้าน ขวา: ด้านหยาบ Materialscientist ที่ English Wikipedia / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) ที่มา: Wikimedia Commons

น้ำหนักโมเลกุล

144.64 ก. / โมล

จุดหลอมเหลว

1238 ºC

ความหนาแน่น

5.3176 g / cm ³ที่ 25 ° C

การละลาย

ในน้ำ: น้อยกว่า 1 มก. / มล. ที่ 20 ° C

คุณสมบัติทางเคมี

มีไฮเดรตที่สามารถสร้างเกลือของกรดได้ มีความเสถียรในอากาศแห้ง ในอากาศชื้นจะมืดลง

มันสามารถทำปฏิกิริยากับไอน้ำกรดและก๊าซกรดปล่อยก๊าซพิษที่เรียกว่าอาร์ซีนอาร์ซานหรืออาร์เซนิกไฮไดรด์ (AsH ₃ ) ทำปฏิกิริยากับเบสที่ปล่อยก๊าซไฮโดรเจน

ถูกโจมตีโดยกรดไฮโดรคลอริกเข้มข้นและฮาโลเจน เมื่อหลอมเหลวจะโจมตีควอตซ์ หากเปียกจะทำให้มีกลิ่นกระเทียมและหากได้รับความร้อนจนสลายตัวจะปล่อยก๊าซอาร์เซนิกที่เป็นพิษสูง

คุณสมบัติทางกายภาพอื่น ๆ

เป็นวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ซึ่งหมายความว่าสามารถทำหน้าที่เป็นตัวนำไฟฟ้าหรือเป็นฉนวนได้ขึ้นอยู่กับสภาวะที่ถูกกดดันเช่นสนามไฟฟ้าความดันอุณหภูมิหรือรังสีที่ได้รับ

ช่องว่างระหว่างวงดนตรีอิเล็กทรอนิกส์

มีความกว้างของช่องว่างพลังงาน 1,424 eV (อิเล็กตรอนโวลต์) ความกว้างของช่องว่างพลังงานวงต้องห้ามหรือแบนด์แก็ปคือช่องว่างระหว่างเปลือกอิเล็กตรอนของอะตอม

ยิ่งช่องว่างพลังงานกว้างเท่าใดพลังงานที่อิเล็กตรอนต้องการในการ "กระโดด" ไปยังเปลือกถัดไปจะมากขึ้นและทำให้เซมิคอนดักเตอร์เปลี่ยนสถานะเป็นตัวนำ

GaAs มีช่องว่างพลังงานกว้างกว่าซิลิกอนและทำให้ทนต่อรังสีได้สูง นอกจากนี้ยังเป็นความกว้างของช่องว่างโดยตรงดังนั้นจึงสามารถเปล่งแสงได้อย่างมีประสิทธิภาพมากกว่าซิลิกอนซึ่งความกว้างของช่องว่างเป็นทางอ้อม

การได้รับ

สามารถหาได้โดยผ่านส่วนผสมของก๊าซไฮโดรเจน (H ₂ ) และสารหนูเหนือแกลเลียม (III) ออกไซด์ (Ga ₂ O ₃ ) ที่ 600 ° C

นอกจากนี้ยังสามารถเตรียมได้โดยปฏิกิริยาระหว่างแกลเลียม (III) คลอไรด์ (GaCl ₃ ) และสารหนูออกไซด์ (As ₂ O ₃ ) ที่ 800 ° C

ใช้ในแผงโซล่าเซลล์

แกลเลียมอาร์เซไนด์ถูกนำมาใช้ในเซลล์แสงอาทิตย์ตั้งแต่ปี 1970 เนื่องจากมีคุณสมบัติโซลาร์เซลล์ที่โดดเด่นซึ่งทำให้ได้เปรียบกว่าวัสดุอื่น ๆ

มันทำงานได้ดีกว่าซิลิคอนในการแปลงพลังงานแสงอาทิตย์เป็นไฟฟ้าส่งพลังงานได้มากกว่าภายใต้สภาวะความร้อนสูงหรือแสงน้อยซึ่งเป็นเงื่อนไขทั่วไปสองประการที่เซลล์แสงอาทิตย์ทนได้ซึ่งมีการเปลี่ยนแปลงของระดับแสงและอุณหภูมิ

เซลล์แสงอาทิตย์เหล่านี้บางส่วนใช้ในรถยนต์ที่ใช้พลังงานแสงอาทิตย์ยานพาหนะในอวกาศและดาวเทียม

เซลล์แสงอาทิตย์ GaAs บนดาวเทียมขนาดเล็ก โรงเรียนนายเรือแห่งสหรัฐอเมริกา / สาธารณสมบัติ ที่มา: Wikimedia Commons

ข้อดีของ GaAs สำหรับแอปพลิเคชันนี้

ทนต่อความชื้นและรังสีอัลตราไวโอเลตซึ่งทำให้ทนทานต่อสภาพแวดล้อมมากขึ้นและช่วยให้สามารถใช้ในการบินและอวกาศได้

มีค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิต่ำดังนั้นจึงไม่สูญเสียประสิทธิภาพที่อุณหภูมิสูงและทนต่อปริมาณรังสีสะสมสูง ความเสียหายจากรังสีสามารถขจัดออกได้โดยการแบ่งเบาบรรเทาที่อุณหภูมิเพียง 200 ° C

มีค่าสัมประสิทธิ์การดูดซับโฟตอนของแสงสูงดังนั้นจึงมีประสิทธิภาพสูงในที่แสงน้อยกล่าวคือสูญเสียพลังงานน้อยมากเมื่อมีการส่องสว่างไม่ดีจากดวงอาทิตย์

เซลล์แสงอาทิตย์ GaAs มีประสิทธิภาพแม้ในที่แสงน้อย ผู้แต่ง: Arek Socha. ที่มา: Pixabay

ผลิตพลังงานต่อหน่วยพื้นที่มากกว่าเทคโนโลยีอื่น ๆ สิ่งนี้สำคัญเมื่อคุณมีพื้นที่ขนาดเล็กเช่นเครื่องบินยานพาหนะหรือดาวเทียมขนาดเล็ก

เป็นวัสดุที่มีความยืดหยุ่นและน้ำหนักเบามีประสิทธิภาพแม้จะใช้ในชั้นที่บางมากซึ่งทำให้เซลล์แสงอาทิตย์มีน้ำหนักเบายืดหยุ่นและมีประสิทธิภาพ

โซลาร์เซลล์สำหรับยานอวกาศ

โครงการอวกาศใช้เซลล์แสงอาทิตย์ GaAs มานานกว่า 25 ปี

การรวมกันของ GaAs กับสารประกอบอื่น ๆ ของเจอร์เมเนียมอินเดียมและฟอสฟอรัสทำให้ได้เซลล์แสงอาทิตย์ที่มีประสิทธิภาพสูงมากซึ่งใช้ในยานพาหนะที่สำรวจพื้นผิวของดาวอังคาร

Curiosity rover เวอร์ชั่นศิลปินบนดาวอังคาร อุปกรณ์นี้มีเซลล์แสงอาทิตย์ของ GaAs NASA / JPL-Caltech / โดเมนสาธารณะ ที่มา: Wikimedia Commons

ข้อเสียของ GaAs

เป็นวัสดุที่มีราคาแพงมากเมื่อเทียบกับซิลิกอนซึ่งเป็นอุปสรรคหลักในการนำไปใช้งานจริงในเซลล์แสงอาทิตย์บนบก

อย่างไรก็ตามมีการศึกษาวิธีการใช้งานในชั้นที่บางมากซึ่งจะช่วยลดต้นทุน

ใช้ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์

GaAs มีประโยชน์หลายอย่างในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ต่างๆ

ในทรานซิสเตอร์

ทรานซิสเตอร์เป็นองค์ประกอบที่ทำหน้าที่ขยายสัญญาณไฟฟ้าและเปิดหรือปิดวงจรรวมถึงการใช้งานอื่น ๆ

ใช้ในทรานซิสเตอร์ GaAs มีความคล่องตัวทางอิเล็กทรอนิกส์สูงกว่าและมีความต้านทานสูงกว่าซิลิกอนดังนั้นจึงทนต่อสภาวะของพลังงานที่สูงขึ้นและความถี่ที่สูงขึ้นทำให้เกิดเสียงรบกวนน้อยลง

ทรานซิสเตอร์ GaAs ใช้ในการขยายกำลัง Epop / CC0. ที่มา: Wikimedia Commons

บน GPS

ในช่วงทศวรรษที่ 1980 การใช้สารประกอบนี้อนุญาตให้มีการย่อขนาดของเครื่องรับระบบกำหนดตำแหน่งบนพื้นโลกหรือ GPS (Global Positioning System)

ระบบนี้ทำให้สามารถกำหนดตำแหน่งของวัตถุหรือบุคคลบนโลกทั้งใบได้ด้วยความแม่นยำของเซนติเมตร

Gallium arsenide ใช้ในระบบ GPS ผู้แต่ง: Foundry Co. ที่มา: Pixabay

ในอุปกรณ์ optoelectronic

ฟิล์ม GaAs ที่ได้รับที่อุณหภูมิค่อนข้างต่ำมีคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ที่ดีเยี่ยมเช่นความต้านทานสูง (ต้องใช้พลังงานสูงเพื่อเป็นตัวนำ) และการถ่ายเทอิเล็กตรอนอย่างรวดเร็ว

ช่องว่างพลังงานโดยตรงทำให้เหมาะสำหรับใช้ในอุปกรณ์ประเภทนี้ เป็นอุปกรณ์ที่เปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานที่เปล่งประกายหรือในทางกลับกันเช่นไฟ LED เลเซอร์เครื่องตรวจจับไดโอดเปล่งแสงเป็นต้น

ไฟฉาย LED อาจมีแกลเลียมอาร์เซไนด์ ผู้แต่ง: Hebi B. ที่มา: Pixabay

ในการฉายรังสีพิเศษ

คุณสมบัติของสารประกอบนี้กระตุ้นให้เกิดการแผ่รังสีที่มีความถี่เทราเฮิร์ตซ์ซึ่งเป็นรังสีที่สามารถทะลุผ่านวัสดุทุกประเภทยกเว้นโลหะและน้ำ

การแผ่รังสีเทราเฮิร์ตซ์เนื่องจากเป็นรังสีที่ไม่ก่อให้เกิดไอออนจึงสามารถนำไปใช้ในการรับภาพทางการแพทย์ได้เนื่องจากไม่ทำลายเนื้อเยื่อของร่างกายหรือทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในดีเอ็นเอเช่นเดียวกับรังสีเอกซ์

การแผ่รังสีเหล่านี้จะทำให้สามารถตรวจจับอาวุธที่ซ่อนอยู่ในคนและกระเป๋าเดินทางสามารถใช้ในวิธีการวิเคราะห์สเปกโตรสโกปีทางเคมีและชีวเคมีและสามารถช่วยค้นพบผลงานศิลปะที่ซ่อนอยู่ในอาคารเก่า ๆ

การรักษาทางการแพทย์ที่มีศักยภาพ

เลเซอร์ GaAs ชนิดหนึ่งแสดงให้เห็นว่ามีประโยชน์ในการเพิ่มการสร้างใหม่ของมวลกล้ามเนื้อที่ได้รับความเสียหายจากพิษงูในหนู อย่างไรก็ตามจำเป็นต้องมีการศึกษาเพื่อตรวจสอบประสิทธิภาพในมนุษย์

ทีมต่างๆ

ใช้เป็นเซมิคอนดักเตอร์ในอุปกรณ์ต้านทานสนามแม่เหล็กเทอร์มิสเตอร์ตัวเก็บประจุการส่งข้อมูลใยแก้วนำแสงโฟโตอิเล็กทรอนิกไมโครเวฟวงจรรวมที่ใช้ในอุปกรณ์สำหรับการสื่อสารผ่านดาวเทียมระบบเรดาร์สมาร์ทโฟน (เทคโนโลยี 4G) และแท็บเล็ต

วงจรอิเล็กทรอนิกส์ในสมาร์ทโฟนสามารถมี GaAs ได้ ผู้แต่ง: Arek Socha. ที่มา: Pixabay

ความเสี่ยง

เป็นสารประกอบที่มีพิษร้ายแรง การได้รับสารนี้เป็นเวลานานหรือซ้ำ ๆ ทำให้เกิดความเสียหายต่อร่างกาย

อาการของการสัมผัสอาจรวมถึงความดันเลือดต่ำหัวใจล้มเหลวอาการชักภาวะอุณหภูมิต่ำอัมพาตอาการบวมน้ำทางเดินหายใจตัวเขียวตับแข็งไตถูกทำลายเม็ดเลือดและเม็ดเลือดขาวและอื่น ๆ อีกมากมาย

อาจทำให้เกิดมะเร็งและทำลายภาวะเจริญพันธุ์ เป็นพิษและเป็นสารก่อมะเร็งสำหรับสัตว์ด้วย

ของเสียอันตราย

การใช้ GaAs ที่เพิ่มขึ้นในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทำให้เกิดความกังวลเกี่ยวกับชะตากรรมของวัสดุนี้ในสิ่งแวดล้อมและความเสี่ยงที่อาจเกิดขึ้นต่อสุขภาพของประชาชนและสิ่งแวดล้อม

มีความเสี่ยงแฝงในการปล่อยสารหนู (องค์ประกอบที่เป็นพิษและเป็นพิษ) เมื่ออุปกรณ์ที่มี GaAs ถูกกำจัดในหลุมฝังกลบขยะมูลฝอยของเทศบาล

การศึกษาแสดงให้เห็นว่า pH และสภาวะรีดอกซ์ในหลุมฝังกลบมีความสำคัญต่อการกัดกร่อนของ GaAs และการปลดปล่อยสารหนู ที่ pH 7.6 และภายใต้บรรยากาศออกซิเจนปกติสามารถปลดปล่อย metalloid ที่เป็นพิษได้ถึง 15%

ไม่ควรกำจัดอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในหลุมฝังกลบเนื่องจาก GaAs สามารถปล่อยสารหนูที่เป็นพิษได้ ผู้แต่ง: INESby. ที่มา: Pixabay

อ้างอิง

1. หอสมุดแพทยศาสตร์แห่งชาติสหรัฐอเมริกา (2019) แกลเลียมอาร์เซไนด์ กู้คืนจาก pubchem.ncbi.nlm.nih.gov.
2. Choudhury, SA และคณะ (2019) โครงสร้างนาโนโลหะสำหรับเซลล์แสงอาทิตย์ ในวัสดุนาโนสำหรับการใช้งานเซลล์แสงอาทิตย์ กู้คืนจาก sciencedirect.com.
3. Ramos-Ruiz, A. et al. (2018) แกลเลียม arsenide (GaAs) ชะล้างพฤติกรรมและเคมีพื้นผิวการเปลี่ยนแปลงในการตอบสนองต่อความเป็นกรดและ O 2 การจัดการขยะ 77 (2018) 1-9. กู้คืนจาก sciencedirect.com.
4. ชเลซิงเกอร์, TE (2001). แกลเลียมอาร์เซไนด์. ในสารานุกรมวัสดุ: วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี. กู้คืนจาก sciencedirect.com.
5. Mylvaganam, K. et al. (2015) ฟิล์มบางแข็ง ภาพยนตร์ GaAs คุณสมบัติและการผลิต. ในการป้องกันการกัดกร่อนของสารนาโน กู้คืนจาก sciencedirect.com.
6. Lide, DR (บรรณาธิการ) (2546). คู่มือ CRC เคมีและฟิสิกส์. 85 ^TH CRC กด
7. Elinoff, G. (2019). Gallium Arsenide: ผู้เล่นอีกรายในเทคโนโลยีเซมิคอนดักเตอร์ กู้คืนจาก allaboutcircuits.com.
8. Silva, LH และคณะ (2012) การฉายรังสีด้วยเลเซอร์ GaAs 904-nm ช่วยเพิ่มการฟื้นตัวของมวล myofiber ในระหว่างการสร้างใหม่ของกล้ามเนื้อโครงร่างที่ได้รับความเสียหายจาก crotoxin ก่อนหน้านี้ Lasers Med วิทย์ 27, 993-1000 (2555). กู้คืนจาก link.springer.com.
9. ลีส. - ม. และคณะ (2015) เซลล์แสงอาทิตย์ Ultrathin GaAs ประสิทธิภาพสูงที่เปิดใช้งานด้วยโครงสร้างนาโนที่เป็นฉนวนรวมกันเป็นระยะ ๆ ACS นาโน 2558 27 ต.ค. 9 (10): 10356-65 กู้คืนจาก ncbi.nlm.nih.gov
10. ทานากะ, อ. (2547). ความเป็นพิษของอินเดียมอาร์เซไนด์แกลเลียมอาร์เซไนด์และอะลูมิเนียมแกลเลียมอาร์เซไนด์ Toxicol Appl Pharmacol. 2547 ส.ค. 1; 198 (3): 405-11. กู้คืนจาก ncbi.nlm.nih.gov