ARSENIURO DI GALLIO: STRUTTURA, PROPRIETÀ, USI, RISCHI - CHIMICA - 2025

L' arseniuro di gallio è un composto inorganico costituito da un atomo di gallio (Ga) e un atomo di arsenico (As). La sua formula chimica è GaAs. È un solido grigio scuro che può avere una lucentezza metallica blu-verde.

Sono state ottenute nanostrutture di questo composto con potenzialità per vari usi in molti campi dell'elettronica. Appartiene a un gruppo di materiali chiamati composti III-V a causa della posizione dei suoi elementi nella tavola periodica chimica.

Nanostrutture GaAs. Яна Сычикова, Сергей Ковачёв / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0). Fonte: Wikimedia Commons.

È un materiale semiconduttore, il che significa che può condurre elettricità solo in determinate condizioni. È ampiamente utilizzato in dispositivi elettronici, come transistor, GPS, luci LED, laser, tablet e smartphone.

Ha caratteristiche che gli consentono di assorbire facilmente la luce e convertirla in energia elettrica. Per questo motivo viene utilizzato nelle celle solari di satelliti e veicoli spaziali.

Permette di generare radiazioni che penetrano in vari materiali e anche negli organismi viventi, senza danneggiarli. È stato studiato l'uso di un tipo di laser GaAs che rigenera la massa muscolare danneggiata dal veleno di serpente.

Tuttavia, è un composto tossico e può causare il cancro negli esseri umani e negli animali. Le apparecchiature elettroniche smaltite in discarica possono rilasciare arsenico pericoloso e essere dannose per la salute delle persone, degli animali e dell'ambiente.

Struttura

L'arseniuro di gallio ha un rapporto 1: 1 tra un elemento del gruppo III della tavola periodica e un elemento del gruppo V, motivo per cui è chiamato composto III-V.

È considerato un solido intermetallico composto da arsenico (As) e gallio (Ga) con stati di ossidazione che vanno da Ga ⁽⁰⁾ As ⁽⁰⁾ a Ga ⁽⁺³⁾ As ^(-3) .

Cristallo di arseniuro di gallio. W. Oelen / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0). Fonte: Wikimedia Commons.

Nomenclatura

• Arseniuro di gallio
• Monoarsenide di gallio

Proprietà

Stato fisico

Solido cristallino grigio scuro con lucentezza metallica blu-verde o polvere grigia. I suoi cristalli sono cubici.

Cristalli GaAs. A sinistra: lato lucido. A destra: lato ruvido. Scienziato dei materiali presso Wikipedia in inglese / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0). Fonte: Wikimedia Commons.

Peso molecolare

144,64 g / mol

Punto di fusione

1238 ºC

Densità

5,3176 g / cm ³ a 25 ° C.

solubilità

In acqua: meno di 1 mg / mL a 20 ° C.

Proprietà chimiche

Ha un idrato che può formare sali acidi. È stabile all'aria secca. Nell'aria umida si oscura.

Può reagire con vapore, acidi e gas acidi, emettendo il gas velenoso chiamato arsina, arsan o idruro di arsenico (AsH ₃ ). Reagisce con basi emettendo idrogeno gassoso.

Viene attaccato dall'acido cloridrico concentrato e dagli alogeni. Quando è fuso attacca il quarzo. Se si bagna emana un odore di aglio e se riscaldato fino alla decomposizione emette gas arsenico altamente tossici.

Altre proprietà fisiche

È un materiale semiconduttore, il che significa che può comportarsi come un conduttore di elettricità o come un isolante a seconda delle condizioni a cui è sottoposto, come il campo elettrico, la pressione, la temperatura o la radiazione che riceve.

Divario tra le bande elettroniche

Ha un'ampiezza del gap energetico di 1.424 eV (elettronvolt). L'ampiezza del gap energetico, banda proibita o bandgap è lo spazio tra i gusci di elettroni di un atomo.

Più ampio è il gap energetico, maggiore è l'energia richiesta dagli elettroni per "saltare" al guscio successivo e far passare il semiconduttore a uno stato di conduzione.

GaAs ha un gap energetico più ampio del silicio e questo lo rende altamente resistente alle radiazioni. È anche una larghezza della fessura diretta, quindi può emettere luce in modo più efficace del silicio, la cui larghezza della fessura è indiretta.

Ottenere

Può essere ottenuto passando una miscela gassosa di idrogeno (H ₂ ) e arsenico su ossido di gallio (III) (Ga ₂ O ₃ ) a 600 ° C.

Può anche essere preparato per reazione tra gallio (III) cloruro (GaCl ₃ ) e ossido di arsenico (As ₂ O ₃ ) a 800 ° C.

Utilizzare nelle celle solari

L'arseniuro di gallio è stato utilizzato nelle celle solari sin dagli anni '70, in quanto ha caratteristiche fotovoltaiche eccezionali che gli conferiscono un vantaggio rispetto ad altri materiali.

Funziona meglio del silicio nel convertire l'energia solare in elettricità, fornendo più energia in condizioni di calore elevato o scarsa illuminazione, due delle condizioni comuni che le celle solari sopportano, dove ci sono cambiamenti nei livelli di illuminazione e nella temperatura.

Alcune di queste celle solari sono utilizzate nelle auto a energia solare, nei veicoli spaziali e nei satelliti.

Celle solari GaAs su un piccolo satellite. Accademia navale degli Stati Uniti / dominio pubblico. Fonte: Wikimedia Commons.

Vantaggi di GaAs per questa applicazione

È resistente all'umidità e alle radiazioni ultraviolette, il che lo rende più resistente alle condizioni ambientali e ne consente l'utilizzo in applicazioni aerospaziali.

Ha un coefficiente di temperatura basso, quindi non perde efficienza alle alte temperature e resiste ad alte dosi accumulate di radiazioni. I danni da radiazioni possono essere rimossi mediante tempra a soli 200 ° C.

Ha un alto coefficiente di assorbimento dei fotoni di luce, quindi ha un rendimento elevato in condizioni di scarsa illuminazione, cioè perde pochissima energia quando c'è scarsa illuminazione dal sole.

Le celle solari GaAs sono efficienti anche in condizioni di scarsa illuminazione. Autore: Arek Socha. Fonte: Pixabay.

Produce più energia per unità di superficie rispetto a qualsiasi altra tecnologia. Questo è importante quando si ha una piccola area come aerei, veicoli o piccoli satelliti.

È un materiale flessibile e di peso ridotto, essendo efficiente anche se applicato in strati molto sottili, il che rende la cella solare molto leggera, flessibile ed efficiente.

Celle solari per veicoli spaziali

I programmi spaziali utilizzano celle solari GaAs da oltre 25 anni.

La combinazione di GaAs con altri composti di germanio, indio e fosforo ha permesso di ottenere celle solari ad altissima efficienza che vengono utilizzate nei veicoli che esplorano la superficie del pianeta Marte.

Versione artistica del rover Curiosity su Marte. Questo dispositivo ha celle solari di GaAs. NASA / JPL-Caltech / Pubblico dominio. Fonte: Wikimedia Commons.

Svantaggio di GaAs

È un materiale molto costoso rispetto al silicio, che è stato il principale ostacolo alla sua implementazione pratica nelle celle solari terrestri.

Tuttavia, sono allo studio metodi per il loro utilizzo in strati estremamente sottili, il che ridurrà i costi.

Utilizzare in dispositivi elettronici

GaAs ha molteplici usi in vari dispositivi elettronici.

Nei transistor

I transistor sono elementi che servono ad amplificare i segnali elettrici e ad aprire o chiudere i circuiti, tra gli altri usi.

Utilizzato nei transistor, GaAs ha una maggiore mobilità elettronica e una maggiore resistività rispetto al silicio, quindi tollera condizioni di maggiore energia e frequenza più elevata, generando meno rumore.

Transistor GaAs utilizzato per amplificare la potenza. Epop / CC0. Fonte: Wikimedia Commons.

Sul GPS

Negli anni '80 l'utilizzo di questo composto ha permesso la miniaturizzazione dei ricevitori Global Positioning System o GPS (Global Positioning System).

Questo sistema consente di determinare la posizione di un oggetto o di una persona sull'intero pianeta con una precisione di centimetri.

L'arseniuro di gallio è utilizzato nei sistemi GPS. Autore: Foundry Co. Fonte: Pixabay.

Nei dispositivi optoelettronici

I film GaAs ottenuti a temperature relativamente basse hanno eccellenti proprietà optoelettroniche, come l'elevata resistività (richiede alta energia per diventare un conduttore) e il rapido trasferimento di elettroni.

Il suo gap energetico diretto lo rende adatto per l'uso in questo tipo di dispositivo. Sono dispositivi che trasformano l'energia elettrica in energia radiante o viceversa, come luci a LED, laser, rilevatori, diodi emettitori di luce, ecc.

Torcia elettrica a LED. Può contenere arseniuro di gallio. Autore: Hebi B. Fonte: Pixabay.

In radiazioni speciali

Le proprietà di questo composto hanno spinto il suo utilizzo a generare radiazioni con frequenze di terahertz, che sono radiazioni che possono penetrare tutti i tipi di materiali tranne i metalli e l'acqua.

La radiazione Terahertz, poiché non ionizzante, può essere applicata per ottenere immagini mediche, poiché non danneggia i tessuti del corpo né provoca cambiamenti nel DNA come i raggi X.

Queste radiazioni consentirebbero anche di rilevare armi nascoste nelle persone e nei bagagli, possono essere utilizzate nei metodi di analisi spettroscopica in chimica e biochimica e potrebbero aiutare a scoprire opere d'arte nascoste in edifici molto antichi.

Potenziale trattamento medico

È stato dimostrato che un tipo di laser GaAs è utile per migliorare la rigenerazione della massa muscolare danneggiata da un tipo di veleno di serpente nei topi. Tuttavia, sono necessari studi per determinarne l'efficacia negli esseri umani.

Varie squadre

È utilizzato come semiconduttore in dispositivi di magnetoresistenza, termistori, condensatori, trasmissione dati in fibra ottica fotoelettronica, microonde, circuiti integrati utilizzati in dispositivi per comunicazioni satellitari, sistemi radar, smartphone (tecnologia 4G) e tablet.

I circuiti elettronici negli smartphone possono contenere GaAs. Autore: Arek Socha. Fonte: Pixabay.

rischi

È un composto altamente tossico. L'esposizione ripetuta o prolungata a questo materiale provoca danni al corpo.

I sintomi dell'esposizione possono includere ipotensione, insufficienza cardiaca, convulsioni, ipotermia, paralisi, edema respiratorio, cianosi, cirrosi epatica, danno renale, ematuria e leucopenia, tra molti altri.

Può provocare il cancro e danneggiare la fertilità. È tossico e cancerogeno anche per gli animali.

Rifiuti pericolosi

Il crescente utilizzo di GaAs nei dispositivi elettronici ha sollevato preoccupazioni riguardo al destino di questo materiale nell'ambiente e ai suoi potenziali rischi per la salute pubblica e ambientale.

Esiste un rischio latente di rilascio di arsenico (elemento tossico e velenoso) quando i dispositivi contenenti GaAs vengono smaltiti nelle discariche di rifiuti solidi urbani.

Gli studi dimostrano che le condizioni di pH e redox nelle discariche sono importanti per la corrosione del GaAs e il rilascio di arsenico. A pH 7,6 e in una normale atmosfera di ossigeno, può essere rilasciato fino al 15% di questo metalloide tossico.

Le apparecchiature elettroniche non devono essere smaltite in discarica poiché il GaAs può rilasciare l'arsenico tossico. Autore: INESby. Fonte: Pixabay.

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