Arseneto de gálio: estrutura, propriedades, usos, riscos

Arseneto de gálio: estrutura, propriedades, usos, riscos

O arseneto de gálio é um composto inorgânico que consiste no elemento do átomo de gálio (Ga) e no átomo de arsênico (As). Sua fórmula química é GaAs. É um sólido cinza escuro que pode ter um brilho metálico azul esverdeado.

Nanoestruturas deste composto foram obtidas com potencial para vários usos em muitos campos da eletrônica. Pertence a um grupo de materiais chamados compostos III-V devido à localização de seus elementos na tabela periódica química.

É um material semicondutor, o que significa que só pode conduzir eletricidade sob certas condições. É amplamente utilizado em dispositivos eletrônicos, como transistores, GPS, luzes LED, lasers, tablets e smartphones.

Possui características que permitem absorver a luz facilmente e convertê-la em energia elétrica. Portanto, é usado em células solares de satélites e veículos espaciais.

Permite que a radiação penetre em vários materiais e também em organismos vivos, sem causar danos a eles. O uso de um tipo de laser GaAs que regenera a massa muscular danificada pelo veneno de cobras foi estudado.

No entanto, é um composto tóxico e pode causar câncer em humanos e animais. Os equipamentos eletrônicos descartados em aterros sanitários podem liberar arsênico perigoso e prejudicar a saúde de pessoas, animais e o meio ambiente.

Estrutura

O arseneto de gálio possui uma proporção de 1: 1 entre um elemento do Grupo III na tabela periódica e um elemento do Grupo V, razão pela qual é chamado de composto III-V.

É considerado um sólido intermetálico composto de arsênico (As) e gálio (Ga) com estados de oxidação que variam de Ga (0) As (0) a Ga (+3) As (-3) .

Nomenclatura

  • Arseneto de gálio
  • Monoarsenida de gálio

Propriedades

Estado físico

Sólido cristalino cinza escuro com brilho metálico azul esverdeado ou pó cinza. Seus cristais são cúbicos.

Peso molecular

144,64 g / mol

Ponto de fusão

1238 ºC

Densidade

5,3176 g / cm 3 , a 25 ° C.

Solubilidade

Na água: menos de 1 mg / mL a 20 ° C.

Propriedades quimicas

Tem um hidrato que pode formar sais ácidos. É estável ao ar seco. No ar úmido, escurece.

Pode reagir com vapor, ácidos e gases ácidos, emitindo o gás venenoso chamado arsina, arsan ou hidreto de arsênico (AsH 3 ). Reage com as bases emitindo gás hidrogênio.

É atacado por ácido clorídrico concentrado e por halogênios. Quando derretido, ataca o quartzo. Se umedecer, emite um cheiro de alho e, se for aquecido para decomposição, emite gases de arsênico muito tóxicos.

Outras propriedades físicas

É um material semicondutor, o que significa que ele pode se comportar como condutor de eletricidade ou isolante, dependendo das condições a que é submetido, como campo elétrico, pressão, temperatura ou radiação que recebe.

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Diferença entre bandas eletrônicas

Possui uma largura de gap de energia de 1.424 eV (elétron-volts). A largura do intervalo de energia, band gap ou lacuna da banda (de Inglês banda proibida ) é o espaço entre as conchas de electrões de um átomo.

Quanto maior a diferença de energia, maior a energia exigida pelos elétrons para “pular” para a próxima camada e fazer com que o semicondutor mude para um estado condutor.

O GaAs tem uma largura de gap de energia maior que o silício, o que o torna altamente resistente à radiação. Também é uma largura de abertura direta, para que possa emitir luz com mais eficiência que o silício, cuja largura de abertura é indireta.

Obtenção

Pode ser obtido passando uma mistura gasosa de hidrogênio (H 2 ) e arsênico sobre óxido de gálio (III) (Ga 2 O 3 ) a 600 ° C.

Ele também pode ser preparado pela reacção entre cloreto de gálio (III) (GACL 3 ) e óxido de arsénio (As 2 O 3 ) a 800 ° C.

Uso em células solares

O arseneto de gálio é utilizado em células solares desde a década de 1970, pois possui excelentes características fotovoltaicas que lhe conferem uma vantagem sobre outros materiais.

Ele tem um desempenho melhor que o silício ao converter energia solar em eletricidade, fornecendo mais energia sob condições de alto calor ou pouca luz, duas das condições comuns que as células solares suportam, onde há mudanças nos níveis de iluminação e temperatura.

Algumas dessas células solares são usadas em carros movidos a energia solar, veículos espaciais e satélites.

Vantagens do GaAs para esta aplicação

É resistente à umidade e à radiação ultravioleta, o que o torna mais durável contra as condições ambientais e permite que seja usado em aplicações aeroespaciais.

Possui baixo coeficiente de temperatura, não perde eficiência a altas temperaturas e resiste a altas doses de radiação acumulada. Os danos causados ​​pela radiação podem ser eliminados por revenido a apenas 200 ° C.

Possui um alto coeficiente de absorção de fótons, portanto, apresenta alto desempenho com pouca luz, ou seja, perde muito pouca energia quando há pouca luz solar .

Produz mais energia por unidade de área do que qualquer outra tecnologia. Isso é importante quando há pouca área disponível, como em aeronaves, veículos ou pequenos satélites.

É um material flexível e de baixo peso, sendo eficiente mesmo quando aplicado em camadas muito finas, o que torna a célula solar muito leve, flexível e eficiente.

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Células solares para veículos espaciais

Os programas espaciais usam células solares GaAs há mais de 25 anos.

A combinação de GaAs com outros compostos de germânio, índio e fósforo permitiu obter células solares de eficiência muito alta que estão sendo usadas em veículos que exploram a superfície do planeta Marte .

Desvantagem dos GaAs

É um material muito caro comparado ao silício, que constituiu a principal barreira para sua implementação prática em células solares terrestres.

No entanto, métodos para seu uso em camadas extremamente finas estão sendo estudados, o que reduzirá custos.

Uso em dispositivos eletrônicos

O GaAs tem vários usos em vários dispositivos eletrônicos.

Em transistores

Transistores são elementos que servem para amplificar sinais elétricos e abrir ou fechar circuitos, entre outros usos.

Utilizado em transistores, o GaAs possui maior mobilidade eletrônica e maior resistividade que o silício, por isso tolera mais energia e condições de frequência mais alta, gerando menos ruído.

No GPS

Na década de 1980, o uso desse composto permitiu a miniaturização dos receptores do Sistema de Posicionamento Global (GPS) .

Este sistema permite determinar a posição de um objeto ou pessoa em todo o planeta com uma precisão de centímetros.

Em dispositivos optoeletrônicos

Os filmes GaAs obtidos a temperaturas relativamente baixas têm excelentes propriedades optoeletrônicas, como alta resistividade (requer alta energia para se tornar um condutor) e rápida transferência de elétrons.

Seu gap de energia direta o torna adequado para uso neste tipo de dispositivo. São dispositivos que transformam energia elétrica em energia radiante ou vice-versa, como luzes LED, lasers, detectores, diodos emissores de luz etc.

Em radiação especial

As propriedades deste composto levaram seu uso a gerar radiação com frequências terahertz, que são radiação que pode penetrar em todos os tipos de materiais, exceto metais e água.

A radiação Terahertz, por não ser ionizante, pode ser aplicada na obtenção de imagens médicas, pois não danifica os tecidos do corpo nem causa alterações no DNA, como raios-X.

Essas radiações também permitiriam detectar armas escondidas em pessoas e bagagens, elas podem ser usadas em métodos de análise espectroscópica em química e bioquímica e poderiam ajudar a descobrir obras de arte ocultas em construções muito antigas.

Potencial tratamento médico

Um tipo de laser GaAs demonstrou ser útil para melhorar a regeneração da massa muscular danificada por um tipo de veneno de cobra em camundongos. No entanto, são necessários estudos para determinar sua eficácia em humanos.

Várias equipes

É usado como semicondutor em dispositivos de magnetoresistência, termistores, capacitores, transmissão fotoeletrônica de dados via fibra ótica, microondas, circuitos integrados utilizados em dispositivos de comunicação por satélite, sistemas de radar, smartphones (tecnologia 4G) e tablets.

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Riscos

É um composto extremamente tóxico. A exposição prolongada ou repetida a este material causa danos ao corpo.

Os sintomas de exposição podem incluir hipotensão, insuficiência cardíaca, convulsões, hipotermia, paralisia, edema respiratório, cianose, cirrose hepática, lesão renal, hematúria e leucopenia, entre muitos outros.

Pode causar câncer e prejudicar a fertilidade. É tóxico e cancerígeno também para animais.

Resíduos perigosos

O crescente uso de GaAs em dispositivos eletrônicos aumentou a preocupação com o destino deste material no meio ambiente e seus riscos potenciais para a saúde pública e ambiental.

Existe um risco latente de liberação de arsênico (um elemento tóxico e venenoso) quando os dispositivos que contêm GaAs são descartados em aterros sanitários municipais.

Certos estudos demonstram que as condições de redução de pH e oxidor em aterros sanitários são importantes para a corrosão dos GaAs e a liberação de arsênico. A pH 7,6 e sob atmosfera normal de oxigênio, até 15% desse metalóide tóxico pode ser liberado.

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