鎵：第一個預(yù)言成真的元素

蘇更林

在化學(xué)元素發(fā)現(xiàn)史上，鎵是第一個先根據(jù)元素周期律預(yù)言，后在實驗中被發(fā)現(xiàn)證實的化學(xué)元素。鎵在地殼中的含量僅為0.0015%，鎵的熔點很低（29.75℃），在手掌上就可化為液態(tài)，而且鎵還具有熱縮冷脹性能。鎵的優(yōu)良特性使其廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體、太陽能、液態(tài)合金、醫(yī)療化工等諸多領(lǐng)域。

銅銦鎵硒薄膜太陽能電池

電子工業(yè)的“脊梁”

1871年，俄國化學(xué)家門捷列夫在總結(jié)元素周期表時，認為在鋅元素后面，鋁元素下面應(yīng)該還有一個未被發(fā)現(xiàn)的元素，其性質(zhì)與鋁元素相近，他稱之為“類鋁元素”。1875年，法國化學(xué)家布瓦博德蘭從閃鋅礦中找到了這個“類鋁元素”，他以Gallia（高盧，拉丁語中對法國的稱呼）一詞將該元素命名為Gallium，元素符號定Ga，中文名為“鎵”。

在一定的條件下，鎵能與硫、硒、碲、磷、砷、銻等發(fā)生反應(yīng)，從而生成鎵的系列化合物，它們都是優(yōu)質(zhì)的半導(dǎo)體材料，被廣泛應(yīng)用于光電子領(lǐng)域和微波通信領(lǐng)域，被譽為是電子工業(yè)的“脊梁”。目前，消耗在半導(dǎo)體行業(yè)的金屬鎵資源大約占到了總消費量的80%～85%。隨著電子信息工業(yè)的發(fā)展以及鎵應(yīng)用領(lǐng)域的拓展，金屬鎵的戰(zhàn)略地位也越來越凸顯。我國于2011年將鎵列為戰(zhàn)略儲備金屬，并開始重視對鎵的戰(zhàn)略儲備。

砷化鎵是繼硅半導(dǎo)體材料之后的又一個應(yīng)用最為廣泛的半導(dǎo)體材料。砷化鎵的最大特點是具有很好的光電性能，即在光照或外加電場的條件下，電子激發(fā)可以釋放出光能來，并且其光發(fā)射效率也要比其他半導(dǎo)體材料高一些。20世紀80年代，砷化鎵被廣泛應(yīng)用到微波器件、激光器和發(fā)光二極管等產(chǎn)品中，被人們認為是最有發(fā)展前途的半導(dǎo)體材料。

磷化鎵是制作半導(dǎo)體發(fā)光元件的又一個優(yōu)質(zhì)材料。20世紀70年代，科學(xué)家先后用磷化鎵作為基板開發(fā)出了可以發(fā)黃色、橙色和綠色光的發(fā)光二極管。到了80年代，砷化鋁鎵的應(yīng)用導(dǎo)致了第一代高亮度發(fā)光二極管的誕生。到了90年代初，四元素半導(dǎo)體材料磷化鋁鎵銦的采用，使得發(fā)光二極管的發(fā)光效率有了很大的提高。用磷化鋁鎵銦制成的超高亮度紅色、橙色、黃色和綠色發(fā)光二極管，可以應(yīng)用于戶外顯示領(lǐng)域。

氮化鎵是Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體材料中最具有希望的寬禁帶光學(xué)材料，曾于20世紀90年代初成就了藍色LED的輝煌。而藍色LED的推出，又帶來了白光LED照明的新紀元。目前，LED照明技術(shù)路線主要有三條，分別為藍寶石、碳化硅和硅襯底氮化鎵基LED技術(shù)路線。其中，前兩條技術(shù)路線分別是以日本和美國為主發(fā)展起來的，而第三條技術(shù)路線是由我國發(fā)展起來的，有力地提升了我國LED技術(shù)在國際上的地位。我國科學(xué)家研制的硅襯底高光效氮化鎵基藍色發(fā)光二極管獲得2015年度國家技術(shù)發(fā)明一等獎。

如今，氮化鎵材料的研究與應(yīng)用已成為全球半導(dǎo)體領(lǐng)域的前沿和熱點，并成為研制微電子器件、光電子器件的第三代半導(dǎo)體材料。較寬的直接帶隙、較強的原子鍵、較高的熱導(dǎo)率以及較穩(wěn)定的化學(xué)性，使其在光電子、高溫大功率器件以及高頻微波器件等方面有著廣闊的應(yīng)用前景。

太陽能電池中的“明星”

鎵的化合物半導(dǎo)體材料做成的太陽能電池，可以把太陽能直接轉(zhuǎn)變成電能，并且具有比較高的效率。隨著太陽能電池材料的不斷發(fā)展，人們對太陽能電池材料提出了更高的要求。比如，半導(dǎo)體材料的禁帶寬度要適中，光電轉(zhuǎn)化效率要高，材料制備過程和電池使用過程中不能存在環(huán)境污染，并且材料生產(chǎn)要能規(guī)?；?。在這樣的背景下，薄膜太陽能電池引起了人們的重視，并成為了科技工作者的研究重點?，F(xiàn)在，銅銦鎵硒（CIGS）薄膜太陽能電池作為多元化合物薄膜電池的重要一員，其轉(zhuǎn)化效率是所有薄膜太陽能電池中最高的。

在銅銦鎵硒薄膜太陽能電池中，通過摻入適量鎵替代部分同族的銦，并可以調(diào)節(jié)CIGS的禁帶寬度，這是CIGS材料優(yōu)于硅系光伏材料的根本所在。同時，CIGS材料的吸收系數(shù)很高，還具有較大范圍的太陽光譜的響應(yīng)特性。

銅銦鎵硒薄膜太陽能電池具有轉(zhuǎn)換效率高、材料來源廣、生產(chǎn)成本低、污染小、無光衰、弱光性能好等顯著特點，有望成為新一代有競爭力的商業(yè)化薄膜太陽能電池。

醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的“奇才”

在醫(yī)療領(lǐng)域中，鎵合金主要是用作醫(yī)療器件和醫(yī)用材料。例如，用鎵合金作為牙齒填充材料，它是一種不含汞的牙體材料，其生物學(xué)性能明顯優(yōu)于銀汞合金。在醫(yī)療診斷領(lǐng)域，鎵的化合物也有用武之地。例如，枸櫞酸鎵注射液可用于腫瘤和炎癥的定位診斷和鑒別診斷。

金屬鎵的熔點為29.75℃，金屬銦的熔點為156.61℃，當它們以一定的配比制成合金后，在室溫下就可以呈現(xiàn)液態(tài)了，因而有很好的流動性。利用鎵銦液態(tài)合金制作的新型體溫計，可作為環(huán)保型溫度計取代水銀溫度計。

2015年6月，我國科學(xué)家宣布在世界上首次應(yīng)用液態(tài)金屬“縫合”了牛蛙斷裂的坐骨神經(jīng)，進而刷新了人們對人體神經(jīng)連接與修復(fù)難題的認知。這種液態(tài)金屬為鎵銦錫合金。鎵銦錫合金在常溫下為液態(tài)，借助注射器可以進入到神經(jīng)管道中進行“搭橋”，其信號傳導(dǎo)效果幾乎與未受傷的神經(jīng)一樣。結(jié)果，牛蛙一側(cè)坐骨神經(jīng)在遭受刺激時所產(chǎn)生的電信號，準確無誤地傳遞到了另一側(cè)的神經(jīng)。這說明鎵銦錫液態(tài)金屬搭建的神經(jīng)之“橋”幾乎達到了完美的程度。這種完美的效果取決于鎵銦錫液態(tài)合金杰出的導(dǎo)電性能。

鎵銦錫液態(tài)合金不僅能保證斷裂的神經(jīng)末梢在“搭橋”連接下的快速聯(lián)通，而且鎵銦錫液態(tài)合金性能穩(wěn)定，不與體液、周圍器官組織發(fā)生反應(yīng)，因此在X射線的照射下會呈現(xiàn)出極高的影像對比度。如果修復(fù)的神經(jīng)恢復(fù)良好，那么可以把液態(tài)金屬從體內(nèi)抽離出來，不留任何痕跡。

尖端領(lǐng)域的“新秀”

2013年12月，我國科學(xué)家引入氣流控制下的液態(tài)金屬噴墨原理，可在任意表面上繪制電路。這種液態(tài)金屬“墨水”是以金屬鎵為主要成分的合金組合，在室溫下可以自由流動。

在現(xiàn)代電子工業(yè)中，印刷電路板已經(jīng)不是什么新鮮事兒了。然而，利用液態(tài)金屬噴墨電子打印方法來“繪制”電路可是一項十分新奇的發(fā)明。傳統(tǒng)的印刷電路板制作流程通常需要經(jīng)過電鍍、蝕刻等工序，具有高能耗、高污染、高耗時等缺點，并且很難適應(yīng)各種不同的基底表面。利用液態(tài)金屬噴墨原理進行的電子打印方式可以在各種復(fù)雜的基底表面上“繪制”出任意的電路。

更令人驚奇的是，鎵元素還被用于“液態(tài)金屬機器”的制作呢！這里的“液態(tài)金屬”通常是指熔點比較低的金屬或合金材料，鎵、鎵銦合金以及鎵銦錫合金等在室溫下呈現(xiàn)液態(tài)，因此都屬于“液態(tài)金屬”。2015年4月，我國科學(xué)家在實驗中發(fā)現(xiàn)，一個直徑約為5毫米的液態(tài)鎵金屬球，在電解液中吞食了0.012克鋁之后，能以每秒5厘米的速度前進?？茖W(xué)家認為，液態(tài)鎵金屬球的行為類似于自然界的簡單軟體動物的習性，能夠把“吃”進的食物轉(zhuǎn)化為能量，并且具有自主運動的能力，難怪科學(xué)家把它稱為“液態(tài)金屬軟體動物”或“液態(tài)金屬機器”。進一步的研究認為，“液態(tài)金屬機器”之所以能從鋁中獲得自主運動的能量，是因為“液態(tài)金屬”和活潑的鋁形成原電池反應(yīng)，從而產(chǎn)生電荷的運動，繼而引起“液態(tài)金屬”表面張力的不平衡，對易于變形的“液態(tài)金屬”產(chǎn)生強大的推力。同時，在上述電化學(xué)反應(yīng)過程中產(chǎn)生的氫氣也對“液態(tài)金屬”的馬達行為施加了影響。

盡管基于鎵及鎵合金的“液態(tài)金屬機器”的功能還是非常有限的，但是它帶給人們的啟示和影響卻是十分深遠的。比如，“液態(tài)金屬機器”的自主變形和運動等特性，為人們研制實用化的智能馬達、血管機器人以及流體泵送系統(tǒng)提供了思路和模板。隨著“液態(tài)金屬機器”的日趨完善和升級，想必會在執(zhí)行高難度操作等方面取得新的突破，并有望在醫(yī)療、科研以及軍事等領(lǐng)域發(fā)揮巨大作用。

不斷拓展的“領(lǐng)地”

由于鎵具有“熱縮冷脹”的性質(zhì)，因此具有比較好的鑄造性，可以用其來制造鉛字合金，這樣可使字體更加清晰。利用鎵的低熔點形成的含鎵易熔合金，可應(yīng)用于電路熔斷器和各種保險裝置以及自動滅火裝置。利用鎵與銅、鎳、錫、金等成分可制成冷焊劑，以解決異型薄壁等難以焊接的難題。盡管鎵的熔點非常低，但是它的沸點卻非常高（2070℃）。利用鎵的這個特性可以用其來制造測量高溫的溫度計，用這種溫度計可以測量煉鋼爐、反應(yīng)爐、原子反應(yīng)堆的溫度。

在原子能工業(yè)中，鎵可以作為熱傳導(dǎo)物質(zhì)，把反應(yīng)堆中的熱量傳導(dǎo)出來;同時，利用鎵吸收中子的性能，可以控制中子的數(shù)目和反應(yīng)速度。鎵還被用來制造陰極蒸汽燈，將碘化鎵加入到高壓水銀燈中，可以增大水銀燈的輻射強度。

高性能磁材是現(xiàn)代機電工業(yè)、自動化工業(yè)和半導(dǎo)體工業(yè)必不可少的基礎(chǔ)材料。在高性能磁材生產(chǎn)需要添加0.5‰～2‰的金屬鎵。在玻璃中添加金屬鎵可以增強玻璃的折射率，以此可以制造特種光學(xué)玻璃。用鎵鏡制作的反光鏡可以把70%以上的光反射出去。在化工領(lǐng)域，鎵及其化合物常被用作催化劑。例如，三氯化鎵可用作生產(chǎn)乙基苯、丙基苯和酮的催化劑;國外開發(fā)的一種新型鎳鎵催化劑可以把氫和二氧化碳轉(zhuǎn)化為甲醇;硝酸鎵用作石油催化劑可以提高石油的開采效益。

【責任編輯】龐 云