7440-55-3 / 鎵——一種新興的戰略礦產資源

鎵,位于元素周期表中第Ⅳ周期第Ⅲ主族,原子序數為31,元素符號為Ga。在自然界中,鎵有2個穩定同位素——鎵69和鎵71。鎵的熔點僅為29.78 ℃,放在手中就會熔化,沸點卻高達2 403 ℃,是自然界中液相溫區最大的金屬元素。鎵具有過冷現象（即熔化后不易凝固）,可過冷到–120 ℃。

鎵在地殼中的含量為15×10-6,在許多礦物和巖石中分散存在,很難形成獨立礦物,因而是典型的稀散元素。目前發現的富鎵礦物只有4個,分別為硫鎵銅礦、羥鎵石、羥氧鎵石和砷鎵鉛礬。在我國青海錫鐵山、吉林郭家嶺和廣東凡口等鉛鋅礦床中,已發現硫鎵銅礦和羥鎵石2個鎵的獨立礦物。

巨大潛力

目前鎵的世界總儲量約23萬噸,中國的鎵金屬儲量居世界第一,約占世界總儲量的80%~85%;國外金屬鎵的儲量約為4~5萬噸。全球鎵資源潛力巨大,據美國地質調查局資料,世界鋁土礦中鎵的資源量超過100萬噸。全球鋁土礦資源量約為55億~750億噸,其中鎵的含量一般為20×10-6~200×10-6。在現有的技術條件下,只有不到10%的鎵可以成為潛在資源。鋅礦中也含有相當數量的鎵,目前世界上已查明的鋅資源量約為19億噸,還有許多未發現的鋅資源,閃鋅礦中鎵的含量為0.01%~0.02%。隨著鎵回收技術的提高,全球鎵資源潛力也將大幅度提高。

戰略地位

鎵早在第二次世界大戰期間就被認為是一種戰略性和關鍵金屬,因為它是制造原子彈的主要原料Ga—Po合金的必要組成部分。在現代社會中,鎵的應用越來越廣泛。

砷化鎵（GaAs）作為第二代半導體材料的代表,在高頻、高速、高溫及抗輻照等微電子器件研制中占有主要地位。半絕緣砷化鎵材料主要用于雷達、衛星電視廣播、微波及毫米波通信、無線通信（以手機為代表）及光纖通信等領域;半導體砷化鎵材料主要應用于光通信有源器件（LD）、半導體發光二極管（LED）、可見光激光器、近紅外激光器、量子阱大功率激光器和高效太陽能電池等光電子領域;砷化鎵（GaAs）聚光太陽能電池,具有良好的耐熱、耐輻射等特性,被應用在航天工業和軍工領域,多聚光砷化鎵太陽能多用于大規模發電站。

氮化鎵（GaN）作為典型的第三代半導體材料,是目前世界上最先進的半導體材料,是新興半導體光電產業的核心材料和基礎器件,在手機快充、5G通信、電源、新能源汽車、LED以及雷達等方面具有遠大的應用前景。

銅銦鎵硒（CIGS）薄膜電池以其成本低、性能穩定、輕柔便攜、透光性好等特點,適用于邊遠山區獨立電站、小型戶用屋頂組件、大型商用屋頂輕質組件、太陽能電站組件、建筑材料一體化應用、超大規模太陽能應用項目等多個領域。

鎵的一系列化合物GaAs、GaSb、GaP、GaAsP、GaAlP、GaAlIn和GaAlAs 等可作為半導體材料,用于發光二級管、電視和電腦的顯示器件。GaN藍光LED的發明讓基于白光LED和全色顯示成為可能,成就了我們多姿多彩的今天。該發現也因此獲得了2014年諾貝爾物理學獎。

鎵在醫學領域也有重要作用。鎵是繼鉑之后第二種治療癌癥的有效元素,并可抑制骨的再吸收,進而提高骨鈣含量。利用鎵的放射性同位素（鎵67）可以對淋巴瘤組織進行顯像,為臨床診斷、治療、預后判斷提供可靠的影像學依據。

鎵是理想的高溫溫度計材料。鎵與不同元素組合,可得到不同的低熔點合金材料,各種低熔點合金多用于自動化、電子工業及信號系統、過真空的密封（液封）涂潤金屬改善性能和自動防火裝置等方面。

任重道遠

未來,鎵的主要應用仍是半導體領域。砷化鎵是鎵的最大消費領域,占鎵全球消費量的80%;其次是氮化鎵,占全球鎵消費量的7%;CIGS薄膜電池作為鎵的新用途,約占鎵消費量的5%。砷化鎵在雷達、衛星電視廣播、通信、源器件、LED、可見光激光器等領域有廣泛的用途。普通照明和汽車應用中基于砷化鎵的LED的使用,以及光纖通信、軍事雷達等領域的使用,使得砷化鎵在鎵的整個消費領域中仍占有重大比例。氮化鎵未來在手機快充、5G通信、電源、新能源汽車、LED以及雷達等方面也具有遠大的應用前景,特別是隨著5G手機的到來,其消費量也會增加。在節能環保的大環境下,必然帶動CIGS高效太陽能電池的廣泛使用,未來對鎵的需求也將呈現增長趨勢。