4.3 Применение галлия, индия и таллия и их соединений
4.3.1. Применение галлия
Основной потребитель галлия — полупроводниковая промышленность для получения соединений AIIIBV, производство которых непрерывно возрастает. Использование их, и прежде всего GaAs, GaP, GaSb и твердых растворов на их основе, позволило создать фундамент современной оптоэлектроники, открыло новые возможности в СВЧ-технике и микроэлектронике.
Арсенид галлия является вторым по значению после кремния полупроводниковым материалом, приборы на его основе отличаются более высоким быстродействием и работой при более высокой температуре по сравнению с аналогичными приборами на кремнии.
Таблица 4.2 — Основные области применения соединений AIIIBV, в полупроводниковой технике.
Арсенид галлия и твердые растворы на его основе используются для создания интегральных схем (ИС) повышенного быстродействия, чему содействовало освоение промышленного производства монокристаллов GaAs диаметром 100–120 мм.
Арсенид галлия и твердые растворы на его основе все шире используются для изготовления вентилей, тиристоров, мощных транзисторов, «силовых» ИС, способных работать при более высокой температуре, чем приборы на основе кремния.
Солнечная энергетика. В настоящее время основным материалом для солнечных батарей является кремний, позволяющий получать батареи с к.п.д. до 14–15%, в перспективе — до >20%. Для высокоэффективных солнечных батарей с к.п.д. 25% расширяется производство GaAs и гетероструктур на основе GaAlAs/GaAs.
Металлический галлий и его сплавы. Металлический галлий, имеющий низкую температуру плавления, широкий температурный интервал жидкого состояния и низкое давление пара, высокие значения теплоемкости и теплопроводности, малое сечение захвата тепловых нейтронов, представлялся удобным материалом для жидкометаллических теплоносителей для ядерных реакторов.
Сплав Ga—In—Sn (Tm 17 °C) рекомендован в качестве теплоносителя для отвода тепла в ЭВМ. Сплавы с низкими температурами плавления, например сплав Ga 30%, In 10%, Sn 60%, используются для заполнения высокотемпературных термометров и манометров, работающих при 600—1100 °С. Аналогичные сплавы используются в терморегуляторах, спринклерных и других противопожарных устройствах, гидравлических затворах и др.
Большое значение имеют галлиевые припои для бесфлюсовой низкотемпературной пайки металлов.
Из других направлений использования соединений галлия нужно указать на применение GaCl3, Ga(NO3)3, R3Ga в качестве катализаторов в процессах органического синтеза.
Большое значение в научных исследованиях имеет использование металлического галлия (до нескольких тонн) в нейтринном микроскопе, с помощью которого физики надеются решить проблему нейтрино и использовать результаты для создания управляемого термоядерного синтеза.
4.3.2 Применение индия
Производство полупроводников — одна из важнейших областей применения индия. Как и галлий, он является акцепторной легирующей добавкой при получении германия и кремния, применяется для создания р–n-переходов в полупроводниковых приборах и ИС. Широкому его применению благоприятствует то, что он легко смачивает поверхность германия и хорошо сплавляется с ним при низкой температуре.
Фосфид, арсенид, антимонид индия и их твердые растворы сохраняют полупроводниковые свойства при повышенных температурах. Антимонид индия обладает исключительно высокой подвижностью электронов, его используют для изготовления датчиков Холла в приборах для измерения магнитных полей и инфракрасных детекторов, так как он обладает фотопроводимостью в ИК области.
Соединения AIIIBV, применяют также в фотоэлементах для солнечных батарей, полупроводниковых тетродах, транзисторах, термисторах и лазерах. Соединения InP—GaP представляют значительный интерес как материал инжекционных электролюминесцентных источников света и квантовых генераторов видимой области спектра.
Индий применяют для изготовления специальных контактов (из прессованного оксида индия в смеси с оксидом и галогенидом серебра), ламп низкого давления, а также прозрачных электропроводящих пленок из оксида индия на стекле, керамике, слюде, карбиде вольфрама и других материалах.
Индий обладает высоким сечением захвата тепловых нейтронов (190 барн). При поглощении им нейтронов возникает вторичное γ-излучение, которое можно регистрировать, поэтому индий применяют в качестве индикатора нейтронов.
Сплавы, содержащие, %: 19 In, 71 Ag, 10 Cd, 54—62 In, 8—18 Cd, остальное Bi, используют для изготовления поглощающих нейтроны регулирующих стержней в атомных реакторах.
Индий способен диффундировать в другие металлы при относительно невысоких температурах и образовывать твердые износостойкие покрытия, имеющие декоративные и защитные свойства, особенно к действию щелочных растворов. Покрытие индием стальных фильер для волочения алюминия увеличивает срок их службы в полтора раза. Для улучшения контакта и сопротивления износу индием покрывают контактные острия выключателей, графитовые щетки и т. п.
Покрытие сплавами индия со свинцом и медью или серебром повышает устойчивость против коррозии под действием смазочных масел и улучшает смачиваемость поверхности подшипников, увеличивает срок их службы в пять раз. Такие подшипники необходимы для современных дизелей, автомобилей.
Сплавы для зубоврачебной практики с использованием в качестве компонента индия известны с 1934 г. При добавке 0,5—5% In к материалу зубных пломб повышается коррозионная устойчивость, твердость, пломбы не темнеют.
В ювелирном производстве индий применяется в виде сплавов с платиновыми и благородными металлами, которым он придает большую твердость, прочность и красивый декораивный вид. Известно «зеленое золото» — сплав, %: 75 Аи, 20 Ag и 5 In.
Легкоплавкие сплавы. Известно много сплавов индия, которые находят применение в качестве припоев, в предохранителях, сигнальных устройствах, термоограничителях и т. д. Индий припаивается к большинству металлов, а также прилипает к стеклу, кварцу, слюде, керамическим материалам.
В 1995 г. выпущено 197 т индия, причем крупным производителем индия стал Китай (36 т). Кроме того, индий выпускают США, Канада, Япония, Россия. Потребление индия по странам распределяется следующим образом, %: Япония — 53, США — 21, Западная Европа — 17, Юговосточная Азия — 8, прочие — 1.