ARSÉNIURE DE GALLIUM: STRUCTURE, PROPRIÉTÉS, UTILISATIONS, RISQUES - CHIMIE - 2025

L' arséniure de gallium est un composé inorganique constitué d'un élément atomique de gallium (Ga) et d'un atome d'arsenic (As). Sa formule chimique est GaAs. C'est un solide gris foncé qui peut avoir un éclat métallique bleu-vert.

Des nanostructures de ce composé ont été obtenues avec un potentiel pour diverses utilisations dans de nombreux domaines de l'électronique. Il appartient à un groupe de matériaux appelés composés III-V en raison de l'emplacement de ses éléments dans le tableau périodique des produits chimiques.

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

C'est un matériau semi-conducteur, ce qui signifie qu'il ne peut conduire l'électricité que dans certaines conditions. Il est largement utilisé dans les appareils électroniques, tels que les transistors, les GPS, les lumières LED, les lasers, les tablettes et les téléphones intelligents.

Il possède des caractéristiques qui lui permettent d'absorber facilement la lumière et de la convertir en énergie électrique. Pour cette raison, il est utilisé dans les cellules solaires des satellites et des véhicules spatiaux.

Il permet de générer des rayonnements qui pénètrent dans divers matériaux et également dans les organismes vivants, sans les endommager. L'utilisation d'un type de laser GaAs qui régénère la masse musculaire endommagée par le venin de serpent a été étudiée.

Cependant, c'est un composé toxique et peut provoquer le cancer chez les humains et les animaux. Les équipements électroniques jetés dans les décharges peuvent dégager de l'arsenic dangereux et nuire à la santé des personnes, des animaux et de l'environnement.

Structure

L'arséniure de gallium a un rapport 1: 1 entre un élément du groupe III du tableau périodique et un élément du groupe V, c'est pourquoi il est appelé composé III-V.

Il est considéré comme un solide intermétallique composé d'arsenic (As) et de gallium (Ga) avec des états d'oxydation allant de Ga ⁽⁰⁾ As ⁽⁰⁾ à Ga ⁽⁺³⁾ As ^(-3).

Cristal d'arséniure de gallium. W. Oelen / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0). Source: Wikimedia Commons.

Nomenclature

• Arséniure de gallium
• Monoarséniure de gallium

Propriétés

État physique

Solide cristallin gris foncé avec éclat métallique bleu-vert ou poudre grise. Ses cristaux sont cubiques.

Cristaux de GaAs. Gauche: côté poli. À droite: côté rugueux. Materialscientist sur Wikipedia anglais / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0). Source: Wikimedia Commons.

Poids moléculaire

144,64 g / mol

Point de fusion

1238 ºC

Densité

5,3176 g / cm ³ à 25 ° C

Solubilité

Dans l'eau: moins de 1 mg / mL à 20 ° C

Propriétés chimiques

Il a un hydrate qui peut former des sels acides. Il est stable à l'air sec. Dans l'air humide, il s'assombrit.

Il peut réagir avec la vapeur, les acides et les gaz acides, émettant le gaz toxique appelé arsine, arsan ou hydrure d'arsenic (AsH ₃). Réagit avec les bases émettant de l'hydrogène gazeux.

Il est attaqué par l'acide chlorhydrique concentré et par les halogènes. Une fois fondu, il attaque le quartz. S'il est mouillé, il dégage une odeur d'ail et s'il est chauffé jusqu'à décomposition, il émet des gaz d'arsenic hautement toxiques.

Autres propriétés physiques

Il s'agit d'un matériau semi-conducteur, ce qui signifie qu'il peut se comporter comme un conducteur d'électricité ou comme un isolant selon les conditions auxquelles il est soumis, comme le champ électrique, la pression, la température ou le rayonnement qu'il reçoit.

Écart entre les groupes électroniques

Il a une largeur d'intervalle d'énergie de 1 424 eV (électron-volts). La largeur de l'écart d'énergie, de la bande interdite ou de la bande interdite est l'espace entre les couches électroniques d'un atome.

Plus l'écart d'énergie est large, plus l'énergie requise par les électrons pour «sauter» vers la couche suivante et faire passer le semi-conducteur à un état conducteur est grande.

Le GaAs a un écart d'énergie plus large que le silicium, ce qui le rend très résistant au rayonnement. Il s'agit également d'une largeur d'espace direct, ce qui lui permet d'émettre de la lumière plus efficacement que le silicium, dont la largeur d'espace est indirecte.

Obtention

Il peut être obtenu par passage d'un mélange gazeux d'hydrogène (H ₂) et d'arsenic sur oxyde de gallium (III) (Ga ₂ O ₃) à 600 ° C.

Il peut également être préparé par réaction entre le chlorure de gallium (III) (GaCl ₃) et l'oxyde d'arsenic (As ₂ O ₃) à 800 ° C.

Utilisation dans les cellules solaires

L'arséniure de gallium est utilisé dans les cellules solaires depuis les années 1970, car il possède des caractéristiques photovoltaïques exceptionnelles qui lui confèrent un avantage par rapport aux autres matériaux.

Il fonctionne mieux que le silicium dans la conversion de l'énergie solaire en électricité, fournissant plus d'énergie dans des conditions de chaleur élevée ou de faible luminosité, deux des conditions courantes que les cellules solaires endurent, où il y a des changements dans les niveaux d'éclairage et la température.

Certaines de ces cellules solaires sont utilisées dans les voitures, les véhicules spatiaux et les satellites à énergie solaire.

Cellules solaires GaAs sur un petit satellite. United States Naval Academy / Domaine public. Source: Wikimedia Commons.

Avantages du GaAs pour cette application

Il résiste à l'humidité et aux rayons ultraviolets, ce qui le rend plus durable face aux conditions environnementales et lui permet d'être utilisé dans des applications aérospatiales.

Il a un faible coefficient de température, il ne perd donc pas d'efficacité à des températures élevées et résiste à de fortes doses de rayonnement accumulées. Les dommages causés par les radiations peuvent être éliminés par trempe à seulement 200 ° C.

Il a un coefficient d'absorption élevé des photons de lumière, donc il a une haute performance en basse lumière, c'est-à-dire qu'il perd très peu d'énergie lorsqu'il y a un mauvais éclairage du soleil.

Les cellules solaires GaAs sont efficaces même en basse lumière. Auteur: Arek Socha. Source: Pixabay.

Elle produit plus d'énergie par unité de surface que toute autre technologie. Ceci est important lorsque vous avez une petite zone comme des avions, des véhicules ou de petits satellites.

C'est un matériau flexible et léger, efficace même lorsqu'il est appliqué en couches très fines, ce qui rend la cellule solaire très légère, flexible et efficace.

Cellules solaires pour véhicules spatiaux

Les programmes spatiaux utilisent des cellules solaires GaAs depuis plus de 25 ans.

La combinaison de GaAs avec d'autres composés de germanium, d'indium et de phosphore a permis d'obtenir des cellules solaires à très haut rendement qui sont utilisées dans les véhicules qui explorent la surface de la planète Mars.

Version d'artiste du rover Curiosity sur Mars. Cet appareil dispose de cellules solaires en GaAs. NASA / JPL-Caltech / Domaine public. Source: Wikimedia Commons.

Inconvénient de GaAs

C'est un matériau très coûteux par rapport au silicium, qui a été le principal obstacle à sa mise en œuvre pratique dans les cellules solaires terrestres.

Cependant, des méthodes pour leur utilisation en couches extrêmement fines sont à l'étude, ce qui réduira les coûts.

Utilisation dans les appareils électroniques

GaAs a de multiples utilisations dans divers appareils électroniques.

Dans les transistors

Les transistors sont des éléments qui servent à amplifier les signaux électriques et à ouvrir ou fermer des circuits, entre autres utilisations.

Utilisé dans les transistors, le GaAs a une mobilité électronique et une résistivité plus élevées que le silicium, il tolère donc des conditions d'énergie plus élevée et de fréquence plus élevée, générant moins de bruit.

Transistor GaAs utilisé pour amplifier la puissance. Epop / CC0. Source: Wikimedia Commons.

Sur GPS

Dans les années 1980, l'utilisation de ce composé a permis la miniaturisation des récepteurs du Global Positioning System ou GPS (Global Positioning System).

Ce système permet de déterminer la position d'un objet ou d'une personne sur l'ensemble de la planète avec une précision de quelques centimètres.

L'arséniure de gallium est utilisé dans les systèmes GPS. Auteur: Foundry Co. Source: Pixabay.

Dans les appareils optoélectroniques

Les films de GaAs obtenus à des températures relativement basses ont d'excellentes propriétés optoélectroniques, telles qu'une résistivité élevée (nécessite une énergie élevée pour devenir un conducteur) et un transfert d'électrons rapide.

Son écart d'énergie direct le rend adapté à une utilisation dans ce type d'appareil. Ce sont des appareils qui transforment l'énergie électrique en énergie radiante ou vice versa, tels que les lumières LED, les lasers, les détecteurs, les diodes électroluminescentes, etc.

Lampe de poche LED. Peut contenir de l'arséniure de gallium. Auteur: Hebi B. Source: Pixabay.

Dans un rayonnement spécial

Les propriétés de ce composé ont incité son utilisation à générer des rayonnements avec des fréquences de térahertz, qui sont des rayonnements qui peuvent pénétrer tous les types de matériaux à l'exception des métaux et de l'eau.

Le rayonnement térahertz, parce qu'il n'est pas ionisant, peut être appliqué pour obtenir des images médicales, car il n'endommage pas les tissus du corps ou ne provoque pas de changements dans l'ADN comme les rayons X.

Ces radiations permettraient également de détecter des armes cachées dans les personnes et les bagages, pourraient être utilisées dans des méthodes d'analyse spectroscopique en chimie et biochimie, et pourraient aider à découvrir des œuvres d'art cachées dans des bâtiments très anciens.

Traitement médical potentiel

Un type de laser GaAs s'est avéré utile pour améliorer la régénération de la masse musculaire endommagée par un type de venin de serpent chez la souris. Cependant, des études sont nécessaires pour déterminer son efficacité chez l'homme.

Diverses équipes

Il est utilisé comme semi-conducteur dans les appareils à magnétorésistance, les thermistances, les condensateurs, la transmission de données photoélectronique par fibre optique, les micro-ondes, les circuits intégrés utilisés dans les appareils de communication par satellite, les systèmes radar, les smartphones (technologie 4G) et les tablettes.

Les circuits électroniques des smartphones peuvent contenir du GaAs. Auteur: Arek Socha. Source: Pixabay.

Des risques

C'est un composé hautement toxique. Une exposition prolongée ou répétée à ce matériau provoque des dommages corporels.

Les symptômes de l'exposition peuvent inclure l'hypotension, l'insuffisance cardiaque, les convulsions, l'hypothermie, la paralysie, l'œdème respiratoire, la cyanose, la cirrhose du foie, les lésions rénales, l'hématurie et la leucopénie, entre autres.

Il peut provoquer le cancer et nuire à la fertilité. Il est toxique et cancérigène également pour les animaux.

Déchets dangereux

L'utilisation croissante de GaAs dans les appareils électroniques a soulevé des inquiétudes concernant le devenir de ce matériau dans l'environnement et ses risques potentiels pour la santé publique et environnementale.

Il existe un risque latent de dégagement d'arsenic (élément toxique et toxique) lorsque les dispositifs contenant du GaAs sont éliminés dans les décharges municipales de déchets solides.

Des études montrent que les conditions de pH et d'oxydoréduction dans les décharges sont importantes pour la corrosion du GaAs et la libération d'arsenic. À pH 7,6 et dans une atmosphère d'oxygène normale, jusqu'à 15% de ce métalloïde toxique peuvent être libérés.

Les équipements électroniques ne doivent pas être jetés dans des décharges car le GaAs peut libérer de l'arsenic toxique. Auteur: INESby. Source: Pixabay.

Références

1. Bibliothèque nationale de médecine des États-Unis. (2019). Arséniure de gallium. Récupéré de pubchem.ncbi.nlm.nih.gov.
2. Choudhury, SA et al. (2019). Nanostructures métalliques pour cellules solaires. Dans les nanomatériaux pour les applications de cellules solaires. Récupéré de sciencedirect.com.
3. Ramos-Ruiz, A. et coll. (2018). Le comportement de lixiviation de l'arséniure de gallium (GaAs) et les changements chimiques de surface en réponse au pH et à l'O ₂. Gestion des déchets 77 (2018) 1-9. Récupéré de sciencedirect.com.
4. Schlesinger, TE (2001). Arséniure de gallium. Dans Encyclopédie des matériaux: science et technologie. Récupéré de sciencedirect.com.
5. Mylvaganam, K. et coll. (2015). Films minces durs. Film GaAs. Propriétés et production. Dans les nanocouches anti-abrasives. Récupéré de sciencedirect.com.
6. Lide, DR (éditeur) (2003). CRC Handbook of Chemistry and Physics. 85 ^e CRC Press.
7. Elinoff, G. (2019). L'arséniure de gallium: un autre acteur de la technologie des semi-conducteurs. Récupéré de allaboutcircuits.com.
8. Silva, LH et coll. (2012). L'irradiation laser GaAs 904 nm améliore la récupération de masse des myofibres lors de la régénération du muscle squelettique précédemment endommagé par la crotoxine. Lasers Med Sci 27, 993-1000 (2012). Récupéré de link.springer.com.
9. Lee, S.-M. et coll. (2015). Cellules solaires ultra-minces GaAs hautes performances activées avec des nanostructures périodiques diélectriques intégrées de manière hétérogène. ACS Nano. 27 octobre 2015; 9 (10): 10356-65. Récupéré de ncbi.nlm.nih.gov.
10. Tanaka, A. (2004). Toxicité de l'arséniure d'indium, de l'arséniure de gallium et de l'arséniure d'aluminium et de gallium. Toxicol Appl Pharmacol. 1er août 2004; 198 (3): 405-11. Récupéré de ncbi.nlm.nih.gov.