31 镓神奇的液态金属元素

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2018/7/11
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Author:Peng Li

镓元素是一种非常神奇的液态金属元素，它是一种低熔点高沸点的金属，手心的温度就可以使其熔化。同时镓也有着“电子工业脊梁”的美誉，它的很多化合物都是优质的半导体材料，被广泛应用到光电子工业和微波通信工业，其中最著名的是获得过2014年诺贝尔物理学奖的氮化镓蓝光LED。此外，砷化镓也被用于制造太阳能电池，为实现能源的可持续利用做出了贡献。

镓的基本物理性质

分类	第Ⅲ主族▪金属
原子序号・原子量	69.723
电子配置	4s²4p¹
密度	5904kg / m³
熔点	29.8°C
沸点	2204°C
色・形状	银白色/灰蓝色金属
丰度	0.0015%（地壳）
发现者	Paul Emile Lecoq de Boisbaudran
主要的同位素	⁶⁷Ga,⁶⁸Ga,⁶⁹Ga
用途例	半导体材料、蓝光发光二极管、太阳能电池
前后的元素	锌-镓-锗

镓的发现

镓是化学史上第一个先从理论预言，后在自然界中被发现验证的化学元素。1871年，门捷列夫发现元素周期表中铝元素下面有个间隙尚未被占据，他预测这种未知元素的原子量大约是68，密度为5.9 g/cm³，性质与铝相似，他将该元素称为“类铝”。^[1]

他的这一预测被法国化学家布瓦邦德朗(Paul Emile Lecoq de Boisbaudran)证实了。布瓦邦德朗利用光谱分析发现在铝和铟之间缺少一个元素，并从1865年开始用分光镜寻找这个元素，他分析了许多矿物，但都没有成功。直到1875年9月，他在闪锌矿(ZnS)中提取锌的原子光谱上观察到了一个新的紫色线，于是断定这是一种新元素，并于同一年通过电解镓的氢氧化物得到了这种新的金属，他将此物质命名为gallium，元素符号定为Ga。但布瓦博得朗没有意识到它的存在和属性都已经被门捷列夫成功预言了。1875年11月，布瓦博得朗提取并提纯了这种新的金属，并证明了它像铝。在1875年12月，他向法国科学院宣布了它4年之后，布瓦邦德朗通过实验证实了门捷列夫的预测。^[2]

熔化的镓与被镓溶解的手机

镓这种金属具有很低的熔点（29.8°C），手心的温度就可以熔化镓，取一小粒镓放在手心里，过不多久就熔化成小液珠滚来滚去，像水银珠一样。此外镓还能溶解很多种类的金属并形成液态合金，如镁、铝。用镓可以轻松的把手机溶解的面目全非。除此之外，镓还有一些奇妙的特性：大多数金属是热胀冷缩的，而镓却是冷胀热缩。当镓从液体凝结成固体时，体积要膨胀3％。所以，像跟大多数的金属相反，镓液体的比重反而比固体的大。因此，金属稼应当存放在塑料的或橡胶制的容器里。如果装在玻璃瓶子里，一旦液态的镓凝固时，体积膨胀，会把瓶子撑破。而且镓可以浸润玻璃，这也是镓不适用于玻璃瓶保存的另一个原因。

金属镓的应用

液体镓是仅有的两种液态金属之一（在常温下或稍高于常温），它和汞具有很多相似的物理性质，因此也用来代替汞用于各种高真空泵，或紫外线灯泡。由于镓能紧密地粘在玻璃上，因此也可以用于制作反光镜，以及一些特殊的光学仪器上。在原子能工业中，镓可以作为热传导物质，将反应堆中的热量传导出来。此外，镓还可以吸收中子，因而可以达到控制中子数目和反应速度的效果。除此之外，金属镓在低温时，还具有良好的“超导性”。（在接近绝对零度时，电阻变得极低，几乎等于零。在这种情况下通电，电流的损失是微不足道的。）使用超导材料可以节省大量的能源，镓是一个潜在的选项。

当镓处于液体状态的时候，受热后体积会均匀地膨胀，这一特性使得镓适合制作温度计。而镓的熔点很低，沸点却高达2070℃，从熔点30℃到沸点2070℃温度范围很宽，因此镓就可以做很宽温域的温度计，用于探测很高的温度。平常的水银温度计对测量炼钢炉、原子能反应堆的高温无能为力，因为水银会在356.9℃化作蒸汽，而镓制作的温度计就可以测量这样高的温度。此外，使用“铟镓合金”制作的体温计也是一种常用的医用温度计。

镓的合金也具有非常广泛的用途，如制成冷焊剂，用于难焊接的异型薄壁，金属间及其与陶瓷间的冷焊接与空洞堵塞。镓合金也可以用于医用材料，如作为牙齿填充材料。由于镓具有很低的熔点，因此镓常用于和铟、铊、锡、铋、锌等金属制备低共熔合金（熔点可在3℃—65℃之间）。这些低共熔合金可用于温度测控，金属涂层、电子工业及核工业的冷却回路，以及代替仪表中的含汞物质。另外这类低共熔合金还可用于自动灭火。例如，含25%铟的镓合金为低熔点合金，在16℃时便熔化，把它用到自动救火龙头的开关上。一旦发生火灾，温度升高，这种易熔合金做的开关保险就会熔化，水便从龙头自动喷出灭火，达到自动灭火的目的。^[3-4]

镓温度计镓铟合金

蓝光LED

镓是第三主族元素，当它和第五族元素——砷、锑、磷、氮化合后，能形成一系列的半导体材料，如砷化镓、锑化镓、磷化镓等，这些都是目前实际应用较为广泛的半导体材料。它们被广泛应用到光电子工业和微波通信工业，例如用于制造微波通讯与微波集成、红外光学与红外探测器件、集成电路、发光二极管等。镓也因此被誉为“电子工业的脊梁”。目前，半导体行业金属镓消费量约占总消费量的80%—85%。

2014年诺贝尔物理学奖颁给了日本科学家赤崎勇、天野浩和美籍日裔科学家中村修二，他们因发明“高亮度蓝色发光二极管”，共获殊荣。蓝色发光二极管指的就是氮化镓二极管。发光二极管的英文简称是LED，对于这个词，大多数国内读者应不会陌生，因为LED灯已大量应用于我国室内外照明等领域，逐步取代白炽灯、荧光灯等传统照明设备，成为节能、环保、智能化照明的代表。发光二极管是由含镓（Ga）、砷（As）、磷（P）、氮（N）等的化合物制成的二极管，当电子与空穴复合时能辐射出可见光，因而可以用来制成发光二极管。在电路及仪器中作为指示灯，或者组成文字或数字显示。砷化镓二极管发红光，磷化镓二极管发绿光，碳化硅二极管发黄光，氮化镓二极管发蓝光，例如我们在电脑上看到的红光和绿光就是由砷化镓和磷化镓二极管发出的。

蓝光发光二极管的最大意义在于其解决了发光二极管用于照明的最大困难。红色、绿色发光二极管早在上世纪中叶已经问世，但要把发光二极管用于照明，必须发明蓝色发光二极管，因为有了红、绿、蓝三原色后，才能产生照亮世界的白色光源。蓝色发光二极管的制备技术困扰了人类30多年。上世纪80年代，在日本名古屋大学工作的赤崎勇和天野浩选择氮化镓材料，向蓝色发光二极管这个世界难题发起挑战。1986年，两人首次制成高质量的氮化镓晶体；1989年首次研发成功蓝光LED。从1988年起，当时在日亚化学公司工作的中村修二也开始研发蓝光二极管。与两位日本同行一样，他选择的也是氮化镓材料，但在技术路线上并不相同。上世纪90年代初，中村修二也研制出了蓝色发光二极管。与名古屋大学团队相比，他发明的技术更简单，成本也更低。至此，将LED用于照明的最大技术障碍已被扫除，被誉为“人类历史上第四代照明”的LED灯呼之欲出。白炽灯点亮了20世纪，21世纪将由LED灯点亮。经过近20年的发展，白色LED照明技术已经取得巨大成就。与传统的照明技术相比，LED照明技术具有高效节能、超长寿命、绿色环保、光效率高等优势而受到世界各国政府的支持。^[5-6]

蓝光LED蓝光LED发明者中村修二

太阳能电池

镓也被应用到太阳能电池的制造中，如砷化镓太阳能电池，该电池具有良好的耐热、耐辐射等特性，其光电转换率非常高。最初因为生产、使用成本都非常高，常常被应用在航天和军工领域。但近几年随着科技的发展，砷化镓太阳能电池的生产和使用成本都在降低，搭配上聚光光学组件从而使其应用领域开始扩大，并且正在以较快的速度普及。^[7]

CIGS（铜铟镓硒）薄膜太阳能电池是第三代太阳能电池。薄膜太阳能电池是缓解能源危机的新型光伏器件。薄膜太阳能电池可以使用在价格低廉的陶瓷、石墨、金属片等不同材料当基板来制造，形成可产生电压的薄膜厚度仅需数μm，目前转换效率最高可以达13%。薄膜电池太阳电池除了平面之外，也因为具有可卷曲性，所以可以制作成非平面构造，其应用范围大，可与建筑物结合或是变成建筑体的一部份，应用非常广泛。铜铟镓硒薄膜太阳电池具有生产成本低、污染小、不衰退、弱光性能好等特点，光电转换效率居各种薄膜太阳能电池之首，接近晶体硅太阳电池，而成本则是晶体硅电池的三分之一，被国际上称为“下一时代非常有前途的新型薄膜太阳电池”。此外，该电池具有柔和、均匀的黑色外观，是对外观有较高要求场所的理想选择，如大型建筑物的玻璃幕墙等，在现代化高层建筑等领域有很大市场，因而在众多太阳能电池产品中成为发展最快的一族。虽然世界上已投产或在建的CIGS工厂已超过40多家，但金属镓在CIGS的原材料中所占比重仅为5%—10%。随着CIGS生产规模的扩大，该行业对金属镓的需求会有明显增长。^[8]

CIGS（铜铟镓硒）薄膜太阳能电池

参考文献

[1]Ball, Philip (2002). The Ingredients: A Guided Tour of the Elements. Oxford University Press. p. 105.ISBN 0-19-284100-9.
[2]de Boisbaudran, Lecoq (1835–1965).“Caractères chimiques et spectroscopiques d’un nouveau métal, le gallium, découvert dans une blende de la mine de Pierrefitte, vallée d’Argelès (Pyrénées)”. Comptes rendus. 81: 493. Retrieved 2008-09-23.
[3]Surmann, P; Zeyat, H (Nov 2005). “Voltammetric analysis using a self-renewable non-mercury electrode”. Analytical and Bioanalytical Chemistry. 383 (6): 1009–13.doi:10.1007/s00216-005-0069-7.ISSN 1618-2642.PMID 16228199
[4]新型镓温度计面世，上海有色金属，1995（10）
[5]Moskalyk, R. R. (2003). “Gallium: the backbone of the electronics industry”. Minerals Engineering. 16 (10): 921–929.doi:10.1016/j.mineng.2003.08.003
[6]https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/lists/year/index.html?year=2017&images=yes
[7]Crisp, D.; Pathare, A.; Ewell, R. C. (2004). “The performance of gallium arsenide/germanium solar cells at the Martian surface”. Acta Astronautica. 54 (2): 83–101.Bibcode:2004AcAau..54…83C.doi:10.1016/S0094-5765(02)00287-4
[8]http://www.elecfans.com/yuanqijian/dianchi/taiyangnen/20180301641380.html