蘇更林

在化學(xué)元素發(fā)現(xiàn)史上，鎵是第一個(gè)先根據(jù)元素周期律預(yù)言，后在實(shí)驗(yàn)中被發(fā)現(xiàn)證實(shí)的化學(xué)元素。鎵在地殼中的含量?jī)H為0.0015%，鎵的熔點(diǎn)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(yáng)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(yáng)能電池

電子工業(yè)的“脊梁”

1871年，俄國(guó)化學(xué)家門(mén)捷列夫在總結(jié)元素周期表時(shí)，認(rèn)為在鋅元素后面，鋁元素下面應(yīng)該還有一個(gè)未被發(fā)現(xiàn)的元素，其性質(zhì)與鋁元素相近，他稱(chēng)之為“類(lèi)鋁元素”。1875年，法國(guó)化學(xué)家布瓦博德蘭從閃鋅礦中找到了這個(gè)“類(lèi)鋁元素”，他以Gallia（高盧，拉丁語(yǔ)中對(duì)法國(guó)的稱(chēng)呼）一詞將該元素命名為Gallium，元素符號(hào)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(yù)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(fèi)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(lái)越凸顯。我國(guó)于2011年將鎵列為戰(zhàn)略?xún)?chǔ)備金屬，并開(kāi)始重視對(duì)鎵的戰(zhàn)略?xún)?chǔ)備。

砷化鎵是繼硅半導(dǎo)體材料之后的又一個(gè)應(yīng)用最為廣泛的半導(dǎo)體材料。砷化鎵的最大特點(diǎn)是具有很好的光電性能，即在光照或外加電場(chǎng)的條件下，電子激發(fā)可以釋放出光能來(lái)，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(jì)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(rèn)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(gè)優(yōu)質(zhì)材料。20世紀(jì)70年代，科學(xué)家先后用磷化鎵作為基板開(kāi)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(hù)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(jì)90年代初成就了藍(lán)色LED的輝煌。而藍(lán)色LED的推出，又帶來(lái)了白光LED照明的新紀(jì)元。目前，LED照明技術(shù)路線(xiàn)主要有三條，分別為藍(lán)寶石、碳化硅和硅襯底氮化鎵基LED技術(shù)路線(xiàn)。其中，前兩條技術(shù)路線(xiàn)分別是以日本和美國(guó)為主發(fā)展起來(lái)的，而第三條技術(shù)路線(xiàn)是由我國(guó)發(fā)展起來(lái)的，有力地提升了我國(guó)LED技術(shù)在國(guó)際上的地位。我國(guó)科學(xué)家研制的硅襯底高光效氮化鎵基藍(lán)色發(fā)光二極管獲得2015年度國(guó)家技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)。

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(diǎn)，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(qiáng)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(yáng)能電池中的“明星”

鎵的化合物半導(dǎo)體材料做成的太陽(yáng)能電池，可以把太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)變成電能，并且具有比較高的效率。隨著太陽(yáng)能電池材料的不斷發(fā)展，人們對(duì)太陽(yáng)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(guò)程和電池使用過(guò)程中不能存在環(huán)境污染，并且材料生產(chǎn)要能規(guī)?；取Ｔ谶@樣的背景下，薄膜太陽(yáng)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(diǎn)?，F(xiàn)在，銅銦鎵硒（CIGS）薄膜太陽(yáng)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(yáng)能電池中最高的。

在銅銦鎵硒薄膜太陽(yáng)能電池中，通過(guò)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(shí)，CIGS材料的吸收系數(shù)很高，還具有較大范圍的太陽(yáng)光譜的響應(yīng)特性。

銅銦鎵硒薄膜太陽(yáng)能電池具有轉(zhuǎn)換效率高、材料來(lái)源廣、生產(chǎn)成本低、污染小、無(wú)光衰、弱光性能好等顯著特點(diǎn)，有望成為新一代有競(jìng)爭(zhēng)力的商業(yè)化薄膜太陽(yáng)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(diǎn)為29.75℃，金屬銦的熔點(diǎn)為156.61℃，當(dāng)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(dòng)性。利用鎵銦液態(tài)合金制作的新型體溫計(jì)，可作為環(huán)保型溫度計(jì)取代水銀溫度計(jì)。

2015年6月，我國(guó)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(jìn)而刷新了人們對(duì)人體神經(jīng)連接與修復(fù)難題的認(rèn)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(jìn)入到神經(jīng)管道中進(jìn)行“搭橋”，其信號(hào)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(shí)所產(chǎn)生的電信號(hào)，準(zhǔn)確無(wú)誤地傳遞到了另一側(cè)的神經(jīng)。這說(shuō)明鎵銦錫液態(tài)金屬搭建的神經(jīng)之“橋”幾乎達(dá)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?chē)鞴俳M織發(fā)生反應(yīng)，因此在X射線(xiàn)的照射下會(huì)呈現(xiàn)出極高的影像對(duì)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?gòu)捏w內(nèi)抽離出來(lái)，不留任何痕跡。

尖端領(lǐng)域的“新秀”

2013年12月，我國(guó)科學(xué)家引入氣流控制下的液態(tài)金屬?lài)娔?，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(dòng)。

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?lài)娔娮哟蛴》椒▉?lái)“繪制”電路可是一項(xiàng)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(guò)電鍍、蝕刻等工序，具有高能耗、高污染、高耗時(shí)等缺點(diǎn)，并且很難適應(yīng)各種不同的基底表面。利用液態(tài)金屬?lài)娔磉M(jìn)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(jī)器”的制作呢！這里的“液態(tài)金屬”通常是指熔點(diǎn)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(guó)科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，一個(gè)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(jìn)?？茖W(xué)家認(rèn)為，液態(tài)鎵金屬球的行為類(lèi)似于自然界的簡(jiǎn)單軟體動(dòng)物的習(xí)性，能夠把“吃”進(jìn)的食物轉(zhuǎn)化為能量，并且具有自主運(yùn)動(dòng)的能力，難怪科學(xué)家把它稱(chēng)為“液態(tài)金屬軟體動(dòng)物”或“液態(tài)金屬機(jī)器”。進(jìn)一步的研究認(rèn)為，“液態(tài)金屬機(jī)器”之所以能從鋁中獲得自主運(yùn)動(dòng)的能量，是因?yàn)椤耙簯B(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(yùn)動(dòng)，繼而引起“液態(tài)金屬”表面張力的不平衡，對(duì)易于變形的“液態(tài)金屬”產(chǎn)生強(qiáng)大的推力。同時(shí)，在上述電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生的氫氣也對(duì)“液態(tài)金屬”的馬達(dá)行為施加了影響。

盡管基于鎵及鎵合金的“液態(tài)金屬機(jī)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(yuǎn)的。比如，“液態(tài)金屬機(jī)器”的自主變形和運(yùn)動(dòng)等特性，為人們研制實(shí)用化的智能馬達(dá)、血管機(jī)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(jī)器”的日趨完善和升級(jí)，想必會(huì)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(lái)制造鉛字合金，這樣可使字體更加清晰。利用鎵的低熔點(diǎn)形成的含鎵易熔合金，可應(yīng)用于電路熔斷器和各種保險(xiǎn)裝置以及自動(dòng)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(diǎn)非常低，但是它的沸點(diǎn)卻非常高（2070℃）。利用鎵的這個(gè)特性可以用其來(lái)制造測(cè)量高溫的溫度計(jì)，用這種溫度計(jì)可以測(cè)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(lái);同時(shí)，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(lái)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(qiáng)度。

高性能磁材是現(xiàn)代機(jī)電工業(yè)、自動(dòng)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(qiáng)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(guó)外開(kāi)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(kāi)采效益。

【責(zé)任編輯】龐 云