גליום

גליום (Gallium) הוא יסוד כימי שסמלו הכימי Ga ומספרו האטומי 31. היישום העיקרי של הגליום הוא במוליכים למחצה מורכבים, ובמיוחד במוליך למחצה גליום ארסניד ובגליום ניטריד. גליום היא מתכת כסופה הניתכת בטמפרטורה של 29.9°C, והיא אחת מחמש המתכות היציבות שניתכות מתחת או סמוך לטמפרטורת החדר (25°C), המתכות האחרות הן כספית, צסיום, פרנציום ורובידיום. תכונה יוצאת דופן נוספת שלו היא לחץ האדים הנמוך שלה גם בטמפרטורות גבוהות (בניגוד לכספית, שבטמפרטורת החדר מתנדפת). בדומה למים, גליום מגדיל את נפחו כאשר הוא מתמצק ולא מקטין אותו כמו מרבית החומרים האחרים (צפיפות גליום מוצק נמוכה מזו של גליום נוזלי ב־3.1 אחוז), לכן רצוי לא לשמור אותו בכלי זכוכית. הגליום הוא מתכת דיאמגנטית. גליום הוא אחד מהיסודות שאת קיומם ניבא מנדלייב על סמך הטבלה המחזורית שיצר, מנדלייב גם חזה את רוב תכונותיו. גליום יכול לגרום להחלדה של מתכת כשהוא מפעפע וחודר לסריג שלה. בשיווי משקל בתנאים סטנדרטיים לגליום מבנה גבישי אורתורומבי (ראה איור) בפאזה המסומנת α. תא היחידה מכיל 8 אטומים, ולכל אטום שכן אחד קרוב ביותר בתא היחידה, הנמצא במרחק של 224 פיקומטר. ששת האטומים הנותרים בתא היחידה נמצאים במרחקים של 27, 30 ו-39 פיקומטר יותר מאשר השכן הקרוב הראשון, והם מחולקים לזוגות בעלי אותו המרחק. בנוסף לצורה זו לגליום מבנים גבישיים יציבים ומטא-סטביליים נוספים רבים, כדוגמת הפאזות המסומנות β,γ, δ ו-ε אשר יכולות להתקיים בלחצים אטמוספיריים. היישום העיקרי של גליום הוא כחלק ממוליכים למחצה מורכבים, ובמיוחד גליום ארסניד (GaAs), גליום ניטריד (GaN) וסגסוגות מהמשפחה שלהם (כגון AlxGa1-xAs, InxGa1-xAs ו-AlxGa1-xN). גליום מרכיב גם במוליכים למחצה מורכבים נוספים כגון גליום פוספיד (GaP) וגליום אנטימוניד (GaSb). גליום ארסניד ותרכובותיו משמשים בעיקר למעגלים בתדרי מיקרוגל, מעגלי מיתוג מהיר, מעגלי תת-אדום והתקנים אלקטרואופטיים כגון לייזרים, LED, גלאים, ותאים סולריים ביעילות גבוהה. יישומים של גליום ניטריד הם נפוצים פחות והם כוללים נורות LED באורכי גל נמוכים (כחול וסביבתו) ולייזרי דיודה כחולים. המוליך למחצה המורכב אינדיום גליום ארסניד (InGaAs) נחקר בשנים האחרונות במרץ עבור יישומים של טרנזיסטורי MOSFET, במיוחד בגלל ניידות אלקטרונים הגבוהה משמעותית מזו של סיליקון המאפשרת שיפור במהירות של התקנים ובביצועיהם. האתגר המשמעותי בחומרים אלה הוא פסיבציה חשמלית מתאימה של הממשק בין המוליך למחצה לבין המבודד, אשר יוצר מלכודות לנושאי מטען. אחד הכיוונים להתמודדות עם האתגר הוא שיקוע שכבות דקות של אלומינה בשיטת ALD אחרי ניקיון של פני השטח. גליום משמש גם כמאלח (מסמם) במספר מוליכים למחצה. בגרמניום למשל, משמש הגליום כאקספטור רדוד (תורם חור להולכה) בגובה של כ-11 מיליאלקטרון-וולט מעל פס הערכיות. למרות שמוליכים למחצה היוו 98% מצריכת הגליום בארצות הברית בשנת 2007, לגליום יש מספר יישומים משניים גם בתחומים אחרים ניתן לייצר מגליום מראות מצוינות. גליום משתלב בקלות עם מתכות אחרות ויוצר סגסוגות אוטקטיות עם נקודות היתוך נמוכות יחסית. מחקרים תומכים בשילוב גליום בסגסוגת אמלגם (שאיתה מבצעים סתימות ברפואת שיניים), הסגסוגת עדיין לא התקבלה. תוספת של עד 2% גליום לחומרי הלחמה יכול לסייע לתכונותיהם. סגסוגות של גליום ואלומיניום נבחנו עבור הפקת מימן. הוצע שסגסוגת גליום ובדיל תהיה חומר קירור למעבדי מחשבים במקום מים. למספר תרכובות גליום יש שימושים מגוונים בתעשיית התרופות. לדוגמה, קומפלקס אמין-פנול של גליום המכונה MR045 נמצא כיעיל לטיפול בטפילים הגורמים מלריה. מדחום המכיל סגסוגת של גליום, אינדיום ובדיל (סגסוגת הקרויה בשם המסחרי גלינסטאן), מהווה תחליף בטוח יותר למדחום הכספית. מלחים של האיזוטופ גליום-67 משמשים בתחום הרפואה הגרעינית ומסייעים בפרוצדורות דימות גרעיני. גליום משמש כמרכיב בסגסוגות מוליכים למחצה ניסיוניים עבור תאים סולריים. הסגסוגות מכונות CIGS על שם היסודות נחושת, אינדיום, גליום וסלניום המרכיבים אותן. בגלל מחירו דורות מתקדמים יותר של סגסוגות אלו אינן מכילות גליום אלא אבץ ובדיל או חומרים אחרים (כדוגמה הסגסוגת המכונה CTZS). לפני גילוי הגליום רוב תכונותיו נחזו על ידי מנדלייב לפי מיקומו בטבלה המחזורית. הוא קרא ליסוד אקא-אלומיניום. ב־1875 לקוק דה בואבודרן (Lecoq de Boisbaudran) זיהה את הגליום כאשר בדק את הספקטרום של דגימת אבץ מהפירנאים. מאוחר יותר באותה שנה הוא הפיק גליום מתכתי בעזרת אלקטרוליזה של Ga(OH)3 בתמיסת אשלגן הידרוקסידי (KOH). לקוק דה בואבודרן נתן ליסוד את שמו. מקור השם הוא במילה הלטינית גאליה, האזור בו חיו הגאלים, שחופף לצרפת, בלגיה ואזורים נוספים במערב אירופה. היו שטענו שהוא קרא ליסוד על שם עצמו: Le coq פירושו בצרפתית תרנגול, ובלטינית תרנגול זה gallus. גליום טהור לא קיים בטבע. גליום לא נמצא בריכוזים גבוהים במחצבים אלא ממוצה מחומרים שבהם נמצא בכמויות קטנות כמו בוקסיט, פחם, גרמניט ועוד. השירות הגאולוגי של ארצות הברית (UGGS) העריך שגליום נמצא בריכוז 50 חלקים למיליון (ppm) לפי משקל בבוקסיט או מחצבי אבץ. סוגים מסוימים של פחם מכילים גליום בכמויות קטנות. לאחר שריפת הפחם האפר מכיל גליום בריכוז של פחות מ-1%. ליסוד גליום עצמו אין רעילות ידועה, אבל תרכבותיו יכולות להיות רעילות; למשל חשיפה אקוטית לגליום טריכלוריד (אנ') יכולה לגרום לגירוי של הגרון, קשיי נשימה וכאבים בחזה, וחשיפה לאדים של התרכובת יכולה לגרום למצבים קשים עד כדי שיתוק,. תרכובות אחרות, כמו גליום ארסניד רעילות אף הן, וזאת בעיקר בגלל הסכנות הנובעות מהארסן שהוא מכיל. גליום ב־Webelements (אנגלית) גליום ושימושיו בספרייה הווירטואלית של מט"ח גליום, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית) M. Bernascino (1995). "Ab initio calculations of structural and electronic properties of gallium solid-state phases". Phys. Rev. B. 52: 9988. doi:10.1103/PhysRevB.52.9988. מקור מקיף לנתונים על מוליכים למחצה Chemical properties of gallium - Health effects of gallium - Environmental effects of gallium, https://www.lenntech.com/periodic/elements/ga.htm C.S. Ivanoff, A.E. Ivanoff, T.L. Hottel, Gallium poisoning: A rare case report, Food and Chemical Toxicology 50, 2012, עמ' 212-215