Präsentation herunterladen
Veröffentlicht von:Katrina Westmeyer Geändert vor über 10 Jahren
1
Gallium-LED – Vom Element zum Device
Martin Völkel, Chemie B.Sc. 5.Semester AC V Hauptseminar
2
Übersicht Eigenschaften, Vorkommen Gewinnung, Aufarbeitung
Grundlagen der Halbleiter: Halbleiter, Dioden, Bandlücken Farbigkeit & weißes Licht Herstellung von GaN/ Probleme Vor-/Nachteile, Recyling von Ga
3
Eigenschaften silberweißes, glänzendes Metall Smp 29,78 °C,
Sdp °C elektrische Leitfähigkeit: 3.68∙ 𝑆 𝑚 (achsenabhängig) relative Volumenänderung beim Schmelzen −3 % Dichteanomalie Binder, Harry H.: Lexikon der chemischen Elemente, S- Hirzel Verlag Stuttgart 1999
4
Vorkommen 1,4∙ 10 −3 % Massenanteil in der Erdkruste
nicht gediegen, vergesellschaftet mit chemisch verwandten Elementen (ähnliche Ionenradien): Ge (Germanit 𝐶𝑢 3 𝐺𝑒,𝐹𝑒 𝑆 4 ; 0,1-1,0 %, jedoch selten) Zn (Sphalerit 𝛼-𝑍𝑛𝑆; ≤0,02%) Al (Bauxit, Tonerde γ −𝐴𝑙 2 𝑂 3 ; 0,o03-0,o1 %) Germanit-Summenformel größter Quatsch! Binder, Harry H.: Lexikon der chemischen Elemente, S- Hirzel Verlag Stuttgart 1999
5
Gewinnung Nebenprodukt bei Zn-Gewinnung Anreicherung in der Lauge
d. Bayer-Verfahrens: 𝐴𝑙 /𝐺𝑎 𝑂𝐻 3 𝑠 +𝑁𝑎𝑂 𝐻 𝑎𝑞 → 𝑁𝑎 + 𝐴𝑙 /𝐺𝑎 𝑂𝐻 4 𝑎𝑞 − Extraktion aus Lauge durch: Alusuisse-Prozess (elektrolytisch bei °C; Kathode: Hg, Anode: Ni): 4 ∙𝑁𝑎 + 𝐺𝑎 𝑂𝐻 4 𝑎𝑞 − →4∙ 𝐺𝑎 𝑙 +3 ∙𝑂 2 𝑔 + 4∙ 𝑂𝐻 − 𝑎𝑞 Bildquelle: Trueb, Lucier F.: Die chemischen Elemente, S. Hirzel Verlag, Stuttgart 1996
6
Gewinnung Solventextraktion: Komplexierung des 𝐺𝑎 3+ und Anreicherung in organischer Phase (Kerosin) 𝐺𝑎 𝑂𝐻 4 − +3𝐻 𝑅 𝑜𝑟𝑔 ⇌𝐺𝑎 𝑅 3,𝑜𝑟𝑔 +𝑂 𝐻 − + 𝐻 2 𝑂 𝐻 𝑅 𝑜𝑟𝑔 : alkylierte 8-Hydroxyquinoline teilweise Mitextraktion von 𝐴𝑙 3+ Mihaylov, I.; Distin, P. A: Gallium solvent extraction in hydrometallurgy: An overview, Hydrometallurgy (1992), 28(1), 13-27 Trueb, Lucier F. Die chemischen Elemente, S. Hirzel Verlag, Stuttgart 1996
7
Aufarbeitung Entfernung von Fremdmetallen (Al, Zn) mit verd. Säuren (𝐻𝐶𝑙, 𝐻 2 𝑆 𝑂 4 ) erneute Lösung des 𝐺𝑎 3+ in NaOH als 𝑁𝑎𝐺𝑎 𝑂𝐻 4 (Alusuisse & Solventextraktion) Elektrolyse an Fe-Kathode bei 40-60°C Abscheidung 𝐺𝑎 𝑙 (99.9%) weitere Aufreinigung durch Vakuumdestillation Elektrolyse Aufschmelzen und Einkristallziehen A.F. Hollemann, E. & N. Wiberg, Lehrbuch der anorganischen Chemie, 102. Auflage, Walter de Gruyter, Berlin, New York, 2007 Mihaylov, I.; Distin, P. A: Gallium solvent extraction in hydrometallurgy: An overview, Hydrometallurgy (1992), 28(1), 13-27 D. Wittmer, M. Erren et al.: Umweltrelevante metallische Rohstoffe. Wuppertal Institut für Klima, Umwelt, Energie GmbH, Wuppertal 2011
8
Halbleiter mit Fremdatomen (Wertigkeit) Dotierung
Halbleiter: zwischen Leiter und Isolator; Def. nach Größe der Bandlücke (0,1- 4 eV) verschiedene Halbleiter: IV(Si, Ge) II-IV (ZnSe) III-V (GaAs, GaN) mit Fremdatomen (Wertigkeit) Dotierung Riedel, E. : Anorganische Chemie, 6. Auflage, Walter de Gruyter, Berlin 2004 G. Held: Introduction to Light Emitting Diode Technology and Applications, CRC Press, London 2009
9
Funktion einer Diode Diode: p- & n-dotierte Schichten
Durchlass- und Sperrrichtung Rekombination Defektelektronen & 𝑒 − n-Pol, Leitungsb. p-Pol, Valenzb. direkter oder indirekter Übergang (materialspezifisch) direkt: ∆E nur über ℎ𝜈, kein ∆k effiziente Energieumwandlung, Übergang wahrscheinlich indirekt: ∆E über ℎ𝜈+∆k Übergang unwahrscheinlicher, geringe Effizienz
10
Bandlücken & Band Gap Tuning
Bandlücke lässt sich beeinflussen Al-Ga-In: höhere Hauptquanten- zahl n, kleinere EN kleinere Bandlücke N-P-As: analog geringe ΔEN eher metallisch hohe ΔEN eher nichtmetallisch Bild? ruby.uni-freiburg.de
11
Farbigkeit & weißes Licht
weißes Licht: Farbort in der Mitte der CIE-Farbnormtafel Suche nach blauer LED Farbkombination (min. 2 komple- mentäre ) führt zu weißem Licht F. A. Ponce, D. P. Bour: Nitride-based semiconductors for blue and green light-emitting devices, Nature (386), , 1997 Theoretical studies on band structure and optical properties of 3C–SiC by FPLAPW Pengshou Xu
12
Erzeugung Weißen Lichtes
Methode 1: rote + blaue + grüne LED Methode 2: blaue LED + gelb luminis- zierender Phosphor YAG Phosphor: 𝑌 1−𝑎 𝐺𝑑 𝑎 𝐴𝑙 1−𝑏 𝐺𝑎 𝑏 5 𝑂 12 :𝐶𝑒
13
Darstellung von inGaN GaN: Verbindungshalbleiter, Wurtzit-Struktur
über MOVPE (Metal Organic Vapour Phase Epitaxy) 𝐺𝑎 𝑀𝑒 3 𝑔 + 𝑁 𝐻 3 𝑔 → 𝐺𝑎𝑁 𝑠 +3 𝐶 𝐻 4 𝑔 T=1000 °C Substrat: Saphir 𝛼−𝐴 𝑙 2 𝑂 3 n-Dotierung durch Si 𝑆𝑖 𝐻 4 p-Dotierung durch Mg 𝐶𝑝 2 𝑀𝑔 , S. Nakamura, S. Pearton, G. Fasol: The Blue Laser Diode 2. Auflage, Springer-Verlag, Berlin 2000
14
Probleme der Herstellung
2D-Wachstum dünner Schichten schwierig Substrate: schlechte Gitterübereinstimmung Inselwachstum Lösung: amorphe GaN-Buffer-Layer Probleme Herstellung einer p-Schicht Passivierung durch H wenig Defektlöcher hoher Widerstand Lösung: LEEBI (Low Energy Electron Beam Irradiation) lange Zeit Konzentration auf ZnSe Vernachlässigen von GaN F. A. Ponce, D. P. Bour: Nitride-based semiconductors for blue and green light-emitting devices, Nature (386), , 1997 S. Nakamura, S. Pearton, G. Fasol: The Blue Laser Diode 2. Auflage, Springer-Verlag, Berlin 2000
15
, Recycling GA Kapazität (effektivere Produktion) ca. 184 t/a,
genutzt: 95 t/a (2009) Recycling nur bei Produktionsabfällen von Großanlagen geschätztes Potential: ca 84 t/a, genutztes Potential: 40 t/a Halbleiterbauteile enthalten sehr geringe Mengen Ga noch nicht wirtschaftlich, Recycling untergeordnet D. Wittmer, M. Erren et al.: Umweltrelevante metallische Rohstoffe. Wuppertal Institut für Klima, Umwelt, Energie GmbH, Wuppertal 2011
16
Vor/Nachteile Gan-LED
Vorteile: hohe Lichtausbeute geringer Stromverbrauch hohe Lebensdauer mech. Unempfindlichkeit Nachteil: benötigte Seltenerden (Ga, In, La, Y, Gd, Ce)
17
Zusammenfassung Ga weit verstreut Nebenprodukt der Al-Aufarbeitung
Aufreinigung durch Elektrolyse, Aufschmelzen, Vakuumdestillation direkte Bandlücke GaN Lichtemission Bandgap Tuning mit Al, In weiße LED durch Phosphore Herstellung über MOVPE Kapazitäten an Ga noch nicht ausgeschöpft, Bedarf steigt
Ähnliche Präsentationen
© 2024 SlidePlayer.org Inc.
All rights reserved.