Gallium : propriétés, structure, approvisionnement, utilisations

I.​ Introduction

Le gallium est un élément chimique métalloïde‚ noté Ga‚ de numéro atomique 31‚ appartenant au groupe 13 du tableau périodique‚ découvert en 1875 par Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran.​

A. Définition et historique du gallium

Le gallium est un élément chimique métalloïde‚ noté Ga‚ de numéro atomique 31‚ appartenant au groupe 13 du tableau périodique.​ Découvert en 1875 par Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran‚ il fut isolé à partir de la zinc-blende‚ un minerai de zinc.​ Le nom “gallium” est dérivé du latin “Gallia”‚ qui signifie “France”‚ en l’honneur du pays où il fut découvert.​ Initialement considéré comme un élément rare et inutile‚ le gallium s’est avéré être un matériau essentiel pour les applications électroniques et thermométriques.​ Au fil des ans‚ ses propriétés uniques ont conduit à son utilisation croissante dans les semi-conducteurs‚ notamment dans les composés tels que l’aluminum indium arsenide antimonide phosphide nitride (AIAsSbP).

II.​ Propriétés du gallium

Les propriétés du gallium comprennent ses caractéristiques physiques‚ chimiques et électroniques‚ qui en font un matériau unique et précieux pour les applications électroniques et thermométriques.​

A.​ Propriétés physiques

Les propriétés physiques du gallium sont caractérisées par une densité de 5‚91 g/cm³‚ une température de fusion de 29‚76 °C et une température d’ébullition de 2200 °C.​ Le gallium est un métalloïde malléable et ductile‚ présentant une résistivité électrique de 16‚6 × 10⁻⁸ Ω·m à 20 °C.​

Il est également connu pour sa grande capacité thermique‚ ce qui en fait un excellent conducteur de chaleur.​ De plus‚ le gallium présente une faible pression de vapeur‚ même à haute température‚ ce qui le rend utile pour les applications nécessitant des conditions de fonctionnement élevées.

Ces propriétés physiques uniques permettent au gallium d’être utilisé dans des applications telles que les composants électroniques‚ les capteurs de température et les systèmes de refroidissement.

B.​ Propriétés chimiques

Les propriétés chimiques du gallium sont caractérisées par une réactivité modérée‚ se situant entre celle des métaux et des non-métaux.​ Il forme facilement des composés avec les éléments du groupe 15‚ tels que l’arsenic‚ l’antimoine et le phosphore‚ formant des matières semi-conductrices telles que le gallium nitride (GaN) et l’aluminum indium arsenide antimonide phosphide nitride (AIAsSbP).​

Le gallium est également capable de former des hydrures‚ tels que le gallium(III) hydroxyde‚ et des halogénures‚ tels que le gallium(III) chloride.​ Ces propriétés chimiques font du gallium un élément essentiel dans la fabrication de matériaux semi-conducteurs et de composants électroniques.​

Ces propriétés chimiques permettent au gallium d’être utilisé dans des applications telles que la fabrication de diodes‚ de transistors et de circuits intégrés.​

C.​ Propriétés électroniques

Les propriétés électroniques du gallium sont essentielles pour ses applications dans les domaines électronique et semi-conducteur.​ Le gallium a une bande interdite de 3‚4 eV‚ ce qui signifie qu’il est possible de contrôler le flux d’électrons dans les matériaux semi-conducteurs qui en contiennent.​

Cette propriété fait du gallium un élément clé dans la fabrication de composants électroniques tels que les diodes‚ les transistors et les circuits intégrés.​ Les propriétés électroniques du gallium permettent également la mise en œuvre de dispositifs à effet Hall et de capteurs magnétorésistifs.​

De plus‚ les propriétés électroniques du gallium nitride (GaN) en font un matériau idéal pour les applications de haute fréquence et de haute puissance‚ telles que les amplificateurs de puissance et les dispositifs de commutation.​

III.​ Structure du gallium

La structure du gallium est caractérisée par une structure cristalline orthorhombique‚ avec des paramètres de maille a = 4‚52 Å‚ b = 4‚51 Å et c = 7‚66 Å‚ ce qui influe sur ses propriétés physiques.

A.​ Structure cristalline

La structure cristalline du gallium est orthorhombique‚ ce qui signifie que les axes cristallins a‚ b et c ont des longueurs différentes et ne sont pas perpendiculaires entre eux.​ Les paramètres de maille sont a = 4‚52 Å‚ b = 4‚51 Å et c = 7‚66 Å.​ Cette structure est caractérisée par une densité de 5‚91 g/cm³ et une dureté de 1‚5 sur l’échelle de Mohs.​ Le gallium cristallise dans le système orthorhombique‚ avec un groupe d’espace Cmca et un nombre d’atomes par maille de 8.​ Cette structure cristalline influence les propriétés physiques et chimiques du gallium‚ notamment sa conductivité électrique et thermique‚ ainsi que sa réactivité chimique.​

B.​ Propriétés de la structure

Les propriétés de la structure du gallium sont influencées par sa géométrie cristalline.​ La distance entre les atomes de gallium voisins est de 2‚43 Å‚ ce qui est relativement faible‚ indiquant une forte liaison métallique.​ La structure cristalline du gallium présente également une anisotropie‚ c’est-à-dire que les propriétés physiques varient en fonction de la direction dans le cristal.​ Par exemple‚ la conductivité électrique est plus élevée dans la direction cristalline [100] que dans les directions [010] et [001].​ De plus‚ la structure du gallium est très sensible aux défauts cristallins‚ tels que les impuretés ou les lacunes‚ qui peuvent modifier significativement ses propriétés.​

IV.​ Approvisionnement du gallium

Le gallium est principalement extrait de la bauxite‚ un minerai d’aluminium‚ lors de la production d’aluminium‚ ainsi que de certains minerais de zinc et de cuivre.​

A.​ Extraction et production

L’extraction du gallium est un processus complexe qui implique plusieurs étapes.​ Tout d’abord‚ la bauxite est extraite des mines et traitée pour produire de l’alumine‚ qui contient des traces de gallium.​

Ensuite‚ l’alumine est dissoute dans une solution d’acide sulfurique‚ ce qui permet de séparer le gallium des autres éléments.​

Le gallium est ensuite précipité sous forme d’hydroxyde de gallium‚ puis calciné pour obtenir de l’oxyde de gallium.​

Finalement‚ l’oxyde de gallium est réduit à l’état métallique par électrolyse ou par réaction avec du calcium ou du silicium.​

La production de gallium est principalement assurée par la Chine‚ suivie de la Russie et de la Kazakhstan.​

B. Réserves et disponibilité

Les réserves de gallium sont estimées à environ 1 million de tonnes‚ principalement concentrées dans les gisements de bauxite et de néphéline.​

Les pays disposant des plus importantes réserves de gallium sont l’Australie‚ la Chine‚ la Russie et le Brésil.​

La disponibilité du gallium est toutefois limitée par sa concentration faible dans les minerais et la complexité de son extraction.

De plus‚ la production de gallium est souvent liée à la production d’aluminium‚ ce qui signifie que la disponibilité du gallium peut varier en fonction de la demande d’aluminium.​

Cependant‚ les recherches en cours visent à améliorer l’efficacité de l’extraction du gallium et à développer de nouvelles sources d’approvisionnement‚ notamment à partir de déchets électroniques.​

V.​ Utilisations du gallium

Le gallium est utilisé dans divers domaines‚ notamment les applications électroniques‚ les matériaux semi-conducteurs‚ les thermomètres et les capteurs magnétorésistifs‚ en raison de ses propriétés électriques et thermiques exceptionnelles.​

A.​ Applications électroniques

Le gallium est largement utilisé dans l’industrie électronique pour la fabrication de composants semi-conducteurs‚ tels que les diodes‚ les transistors et les circuits intégrés. Les propriétés électroniques exceptionnelles du gallium‚ telles que sa grande mobilité des porteurs de charge et sa faible résistivité‚ en font un matériau idéal pour ces applications.​

Les alliages de gallium‚ tels que l’aluminum indium arsenide antimonide phosphide nitride (AIAsSbP)‚ sont également utilisés dans la fabrication de composants électroniques de haute performance‚ tels que les amplificateurs à micro-ondes et les-switchs à haute fréquence.​

De plus‚ le gallium est utilisé dans la fabrication de dispositifs à effet Hall‚ qui mesurent les champs magnétiques‚ et de capteurs magnétorésistifs‚ qui détection les changements de résistance en réponse à des champs magnétiques.

B.​ Applications dans les matériaux semi-conducteurs

Le gallium est un élément clé dans la fabrication de matériaux semi-conducteurs‚ tels que le nitride de gallium (GaN) et l’arséniure de gallium (GaAs).​

Ces matériaux présentent des propriétés électroniques exceptionnelles‚ telles que une grande mobilité des porteurs de charge et une faible résistivité‚ ce qui les rend idéaux pour les applications électroniques de haute performance.​

Les matériaux semi-conducteurs à base de gallium sont utilisés dans une grande variété d’applications‚ notamment les composants électroniques de puissance‚ les diodes laser‚ les transistors à haute fréquence et les circuits intégrés.​

De plus‚ les propriétés du gallium permettent de créer des matériaux semi-conducteurs avec des bandes interdites ajustables‚ ce qui ouvre la voie à de nouvelles applications dans les domaines de l’électronique et de l’optoélectronique.

C.​ Applications thermométriques et magnétorésistives

Le gallium est également utilisé dans les applications thermométriques et magnétorésistives en raison de ses propriétés thermiques et électriques exceptionnelles.

Les alliages de gallium‚ tels que l’aluminium-indium-arséniure-antimonide-phosphure-nitride (AIAsSbP)‚ sont utilisés dans les capteurs thermométriques pour mesurer les températures élevées avec une grande précision.​

De plus‚ le gallium est utilisé dans les capteurs magnétorésistifs‚ tels que les dispositifs à effet Hall‚ pour détecter les champs magnétiques et les variations de température.​

Ces applications sont particulièrement importantes dans les domaines de la physique des matériaux‚ de la métrologie et de la recherche scientifique‚ où la mesure précise des températures et des champs magnétiques est cruciale.​