Arseniuro de galio: estructura, propiedades, usos, riesgos
El arseniuro de galio un compuesto inorgánico formado por un átomo del elemento galio (Ga) y un átomo de arsénico (As). Su fórmula química es GaAs. Es un sólido gris oscuro que puede presentar un brillo metálico azul verdoso.
Se han obtenido nanoestructuras de este compuesto con potencial para diversos usos en muchos campos de la electrónica. Pertenece a un grupo de materiales denominados compuestos III-V por la ubicación de sus elementos en la tabla periódica química.
Es un material semiconductor, lo que significa que puede conducir la electricidad solo bajo ciertas condiciones. Se usa ampliamente en dispositivos electrónicos, como transistores, GPS, luces LED, lasers, tabletas y teléfonos inteligentes.
Posee características que permiten que absorba luz fácilmente y que la convierta en energía eléctrica. Por ello se utiliza en celdas solares de satélites y vehículos espaciales.
Permite generar radiaciones que penetran diversos materiales y también organismos vivos, sin generar daños a estos. Se ha estudiado el uso de un tipo de láser de GaAs que regenera masa muscular deteriorada por veneno de serpiente.
Sin embargo, es un compuesto tóxico y puede causar cáncer en humanos y animales. Los equipos electrónicos que se desechan en basureros pueden liberar el peligroso arsénico y resultar dañinos para la salud de personas, animales y el medio ambiente.
Índice del artículo
- 1 Estructura
- 2 Nomenclatura
- 3 Propiedades
- 4 Obtención
- 5 Uso en celdas solares
- 6 Uso en dispositivos electrónicos
- 7 Riesgos
- 8 Referencias
El arseniuro de galio presenta una relación 1:1 entre un elemento del Grupo III de la tabla periódica y un elemento del Grupo V, por lo que se denomina compuesto III-V.
Se considera que es un sólido intermetálico compuesto de arsénico (As) y galio (Ga) con estados de oxidación que van desde Ga(0)As(0) hasta Ga(+3)As(-3).
- Arseniuro de galio
- Monoarseniuro de galio
Sólido cristalino gris oscuro con brillo metálico azul verdoso o polvo gris. Sus cristales son cúbicos.
144,64 g/mol
1238 ºC
5,3176 g/cm3 a 25 °C.
En agua: menos de 1 mg/mL a 20 °C.
Posee un hidrato que puede formar sales ácidas. Es estable en aire seco. En aire húmedo se oscurece.
Puede reaccionar con vapor, ácidos y gases ácidos emitiendo el venenoso gas llamado arsina, arsano o hidruro de arsénico (AsH3). Reacciona con bases emitiendo gas hidrógeno.
Es atacado por ácido clorhídrico concentrado y por los halógenos. Cuando está fundido ataca el cuarzo. Si se humedece desprende un olor a ajo y si se somete a calentamiento hasta su descomposición emite gases muy tóxicos de arsénico.
Es un material semiconductor lo que significa que puede comportarse como conductor de electricidad o como aislante de esta dependiendo de las condiciones a las que es sometido, como el campo eléctrico, la presión, la temperatura o la radiación que recibe.
Tiene un ancho de brecha energética de 1,424 eV (electronvoltios). El ancho de brecha energética, banda prohibida o brecha de bandas (del inglés bandgap) es el espacio que hay entre las capas de electrones de un átomo.
A mayor ancho de brecha energética, mayor es la energía requerida por los electrones para “saltar” a la próxima capa y hacer que el semiconductor cambie a un estado conductor.
El GaAs posee un ancho de brecha energética mayor que el del silicio y esto lo hace altamente resistente a la radiación. Además es un ancho de brecha directo, por lo que puede emitir luz de forma más efectiva que el silicio, cuyo ancho de brecha es indirecto.
Se puede obtener haciendo pasar una mezcla gaseosa de hidrógeno (H2) y arsénico sobre óxido de galio (III) (Ga2O3) a 600 °C.
También se puede preparar mediante la reacción entre cloruro de galio (III) (GaCl3) y óxido de arsénico (As2O3) a 800 °C.
El arseniuro de galio ha sido utilizado en celdas solares desde la década de 1970, pues posee características fotovoltaicas sobresalientes que le dan ventaja sobre otros materiales.
Se desempeña mejor que el silicio al convertir energía solar en electricidad, pues entrega más energía bajo condiciones de calor alto o poca luz, dos de las condiciones comunes que soportan las celdas solares, donde hay cambios en los niveles de iluminación y temperatura.
Algunas de estas celdas solares se emplean en automóviles que funcionan con energía solar, vehículos espaciales y satélites.
Es resistente a la humedad y a la radiación ultravioleta, lo que lo hace más duradero frente a las condiciones ambientales y permite emplearlo en aplicaciones aeroespaciales.
Presenta un bajo coeficiente de temperatura, por lo que no pierde eficiencia a altas temperaturas y resiste altas dosis acumuladas de radiación. Los daños causados por radiación pueden eliminarse por templado a solo 200 °C.
Posee un alto coeficiente de absorción de fotones de luz, por lo que tiene un alto desempeño con poca luz, es decir, pierde muy poca energía cuando hay iluminación deficiente del sol.
Produce más energía por unidad de superficie que cualquier otra tecnología. Esto es importante cuando se dispone de poca superficie como en aeronaves, vehículos o pequeños satélites.
Es un material flexible y de bajo peso, siendo eficiente aun cuando se aplica en capas muy delgadas, lo que hace que la celda solar sea muy liviana, flexible y eficiente.
Los programas espaciales han empleado celdas solares de GaAs por más de 25 años.
La combinación de GaAs con otros compuestos de germanio, indio y fósforo ha permitido obtener celdas solares de muy alta eficiencia que están siendo utilizadas en vehículos que exploran la superficie del planeta Marte.
Es un material muy costoso comparado con el silicio, lo que ha constituido la principal barrera para su implementación práctica en celdas solares terrestres.
Sin embargo, se están estudiando métodos para su utilización en capas extremadamente delgadas, lo que permitirá disminuir los costos.
El GaAs tiene múltiples usos en diversos aparatos electrónicos.
Los transistores son elementos que sirven para amplificar señales eléctricas y abrir o cerrar circuitos, entre otros usos.
Utilizado en transistores el GaAs tiene una movilidad electrónica mayor y una mayor resistividad que el silicio, por lo que tolera condiciones de mayor energía y mayor frecuencia, generando menos ruido.
En los años 1980s el uso de este compuesto permitió la miniaturización de los receptores del Sistema de Posicionamiento Global o GPS (siglas del inglés Global Positioning System).
Este sistema permite determinar la posición de un objeto o persona en todo el planeta con una precisión de centímetros.
Las películas de GaAs obtenidas a temperaturas relativamente bajas presentan excelentes propiedades optoelectrónicas, como alta resistividad (requiere de una alta energía para convertirse en conductor) y rápida transferencia de electrones.
Su brecha energética directa lo hace apto para su utilización en este tipo de dispositivos. Son aparatos que transforman energía eléctrica en energía radiante o viceversa, como por ejemplo las luces LED, láser, detectores, diodos emisores de luz, etc.
Las propiedades de este compuesto han impulsado su uso para generar radiación con frecuencias de terahercios, que son radiaciones que pueden penetrar todo tipo de materiales a excepción de los metales y el agua.
La radiación de terahercios por ser no ionizante puede aplicarse en la obtención de imágenes médicas, pues no daña los tejidos del organismo ni ocasiona cambios en el ADN como los rayos X.
Estas radiaciones también permitirían detectar armas ocultas en personas y equipajes, pueden utilizarse en métodos de análisis espectroscópico en química y bioquímica, y podrían ayudar a descubrir obras de arte ocultas en construcciones muy antiguas.
Un tipo de láser de GaAs ha demostrado ser útil para mejorar la regeneración de masa muscular dañada por un tipo de veneno de serpientes en ratones. Sin embargo, se requieren estudios para determinar su efectividad en humanos.
Se utiliza como semiconductor en dispositivos de magnetoresistencia, termistores, condensadores, transmisión fotoelectrónica de datos por fibra óptica, microondas, circuitos integrados usados en dispositivos para comunicaciones satelitales, sistemas de radar, teléfonos inteligentes (tecnología 4G) y tabletas.
Es un compuesto sumamente tóxico. La exposición prolongada o en repetidas ocasiones a este material causa daño al organismo.
Los síntomas de exposición pueden incluir hipotensión, falla cardíaca, convulsiones, hipotermia, parálisis, edema respiratorio, cianosis, cirrosis hepática, daño en los riñones, hematuria y leucopenia, entre muchos otros.
Puede causar cáncer y dañar la fertilidad. Es tóxico y cancerígeno también para los animales.
La creciente utilización del GaAs en dispositivos electrónicos ha generado preocupación con respecto al destino de este material en el ambiente y sus riesgos potenciales para la salud pública y ambiental.
Hay un riesgo latente de liberación del arsénico (elemento tóxico y venenoso) cuando los aparatos que contienen GaAs son desechados en vertederos municipales de residuos sólidos.
Ciertos estudios demuestran que el pH y las condiciones de oxidoreducción en los basureros son importantes para la corrosión del GaAs y liberación del arsénico. A pH de 7,6 y bajo atmósfera normal de oxígeno se puede liberar hasta un 15% de este metaloide tóxico.
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