镓 | 战略性矿产家族的新成员

我想买一个手机充电器，买什么样的好呢？

这我知道！现在有种手机快充，

就是氮化镓充电器，价格较贵，

但功率最高可达120瓦呢！

哦？！这么神奇？
为什么氮化镓充电器功率这么大呢？

近期在工作中刚好接触到镓的相关知识，了解到镓的一系列化合物被广泛应用于无线通信、化学工业、医疗设备、太阳能电池和航空航天等高科技领域，被称为“半导体工业的新粮食”和“电子工业的脊梁”。因此，美国、日本等国家已将镓列入“战略资源”，欧盟也将其列入“关键原材料”目录，我国也将镓列为“战略储备金属”。随着电子信息产业的蓬勃发展及其战略地位进一步凸显，镓已然成为一种新兴的战略性矿产资源。

俗话说，一分价钱一分货。最好弄清楚它是什么，氮化镓充电器是否值这么高的价，才能不花冤枉钱。

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“镓”的发现之旅

1875年，法国科学家布瓦博得朗在闪锌矿矿石中首次发现了镓。镓是第一个被“预言”的元素，即第一个填补了元素周期表中预留空位的新元素，是化学史上第一个先预言后发现的化学元素。布瓦博得朗以法国在西罗马时期的名字Gallia（中文译为“高卢”），将发现的新元素命名为“Gallium”（就是镓了），元素符号定为Ga。

▲元素周期表中的镓元素

镓，位于元素周期表中第Ⅳ周期第Ⅲ主族，属于硼族元素，原子序数为31，元素符号为Ga。镓在地壳中的含量仅为0.0015%，且绝大部分镓呈分散状态伴生于其他矿物中。因此，镓是典型的稀有分散元素。

镓的熔点较低，仅为29.78℃，甚至“入手即化”，就是在手中即可融化为液体，沸点却高达2403℃，是自然界液相条件下温差最大的金属元素。镓固态时，呈淡蓝色光泽，而液态时呈银白色光泽。将其加热至熔点后，需冷却至-120℃才能凝固（即为“过冷现象”）。镓还具有独特的“热缩冷涨”的特性，凝固后体积增加约3.2%。

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“镓”的藏身之处

▲液态的金属镓

目前，自然界中已知富镓矿物仅有4种，即硫镓铜矿、羟镓石、羟氧镓石和砷镓铅矾，但无大规模矿床形成，暂不具有工业价值。自然界中的镓多藏身于铝土矿和铅锌矿中，现有的镓主要来源于铝土矿加工副产品和锌加工矿渣。据美国地质调查局统计，世界上超过90%的镓来源于铝土矿床，约10%的镓来源于铅锌硫化物矿床、煤和明矾石矿床等。此外，煤中也含有丰富的镓，但目前提炼技术难度较大，暂未产业化。

目前，全球的镓金属储量约为23万吨，我国的镓金属储量约为19万吨，居世界首位。全球镓资源潜力巨大，远景储量超过100万吨，其中伴生于铝土矿中的镓资源约100万吨，伴生于铅锌矿中的镓资源约19万吨。在现有技术条件下，仅有10%的镓元素被计入到潜在资源中，随着镓提取回收技术的进一步提升，全球的镓资源产量也将大幅提高。

我国镓资源较为丰富，且分布较为集中，其中，内蒙古、四川、广西所占的比重分别为79%、8%和3%。2010年，在我国内蒙古准格尔发现了与煤伴生的超大型镓矿，探明储量达85.7万吨。

03

电子信息时代的“领航员”

▲中国航空博物馆中的雷达装备

镓本身并不是半导体，但与砷、氮、硒、碲、磷、锑等金属和非金属形成的一系列镓基化合物，均为优质半导体材料，是研制微电子器件和光电子器件的重要材料，甚至可以说镓引领着半导体材料的发展方向，是电子信息时代的领航员。

砷化镓（GaAs）是第二代半导体材料的代表，因其价格昂贵享有“半导体贵族”的称号，且具有高频、高速、耐高温、低温性能好、噪声小及抗辐照强等优点，故在微电子器件领域中占有主要地位。砷化镓具有“分身术”，既可作为半绝缘材料，又可成为半导体材料。半绝缘砷化镓材料主要用于雷达、卫星电视广播、微波及毫米波通信、无线通信及光纤通信等领域；半导体砷化镓材料主要应用于光通信有源器件（LD）、半导体发光二极管（LED）、可见光激光器、近红外激光器、量子阱大功率激光器和高效太阳能电池等光电子领域。此外，砷化镓在军事领域发挥着重要作用，主要用于雷达、电子战争、卫星通信等方面，其中在雷达方面的应用占比约为60%。

▲半导体发光二极管（LED）右一为蓝色二极管

氮化镓（GaN）是一种重要的第三代半导体材料，具有高稳定性、高硬度、宽能隙和高熔点等独特的电磁和光学特性，是目前世界上最先进的半导体材料之一。本文一开始所说的手机快速充电器，就是氮化镓在快速充电领域的应用。氮化镓充电器凭借功率更高、体积更小、散热更好等优势，轻松实现了小体积大功率，逐渐成为充电器界的新宠。当前，军事和航天领域占据了GaN器件总市场的40%，最大应用市场依然是雷达和电子战系统。日本名古屋大学的赤崎勇、天野浩以及美国加州大学圣巴巴拉分校的中村修二基于GaN开发的高亮度蓝色发光二极管，是新型节能光源领域的重要突破，为白光LED的研究奠定了基础，该成果还获得了2014年诺贝尔物理学奖。

氧化镓（Ga₂O₃）是第四代半导体的典型代表，甚至称为“半导体天空中的新恒星”。作为一种新兴的功率半导体材料，凭借其比第三代半导体材料碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）更宽的禁带以及优异的发光特性，在高功率、光电子器件领域的应用优势愈加明显。近年来，氧化镓晶体生长技术的突破性进展，极大地推动了相关的薄膜外延、高亮度紫外LED等器件的研究，是国际上超宽禁带半导体领域的研究热点。

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镓的多种用途

▲装在背包上的超薄柔性铜铟镓硒薄膜太阳能电池

现在大热的话题——光伏发电，就是利用半导体材料的光生伏特效应而将来自于太阳辐射的光转化为电能的技术。随着人们对碳排放要求的不断提高，太阳能逐渐成为一种主要能源。单晶硅或多晶硅半导体材料作为太阳能电池，由于成本高或转化率低等因素，难以两全其美。而镓基半导体材料具有禁带宽度适中、光电转化率高、成本低、污染小、弱光性能好等优点，逐渐成为光伏产业的“后起之秀”。例如，砷化镓（GaAs）聚光太阳能电池因具有良好的耐热、耐辐射等特性，被应用在航天工业和军工领域，多聚光砷化镓太阳能多用于大规模发电站。

铜铟镓硒（CIGS）薄膜太阳能电池是第三代多元化合物太阳能电池中的“超级明星，”能够吸收大部分太阳光，光电转化率高达10%。主要原理是用镓来代替一部分铟，从而调节了铜铟镓硒的禁带宽度，这也是铜铟镓硒优于第二代硅基、非晶硅等太阳能电池材料的根源。目前，铜铟镓硒薄膜太阳能电池已经成为新一代极具竞争力的薄膜太阳能电池，发展潜力巨大。

另外，在医疗领域中，镓的化合物也可以用于临床诊断和医用材料。镓的放射性同位素（镓67）可对肿瘤细胞进行显像，为临床诊断提供了可靠的影像学依据。例如，枸橼酸镓（镓67）常用于肝癌、肺癌、淋巴系统肿瘤以及活动性炎症的诊断。

▲大骨节病患者CT

虽然镓是否为人体必需的微量元素，目前尚无定论，但毫无争议的是镓盐制剂具有固钙强骨和抗癌功效。例如，硝酸镓能有效抑制异常骨再吸收和降低因骨吸收钙流入血液，对大骨节病治疗效果显著。镓还是继铂族元素（即铂、钯、锇、铱、钌、铑共6种元素）之后第二种治疗癌症的有效元素，镓通过进入癌细胞后可降低其对铁的吸收，达到杀死癌细胞的目的。

镓与铟、锡等金属可配制成液态金属。镓铟液态金属合金可替代水银制成环保型的温度计。镓铟锡合金在常温下为液态，凭借其优良的导电性能可以搭接神经之“桥”。2015年，我国科学家在世界上首次用镓铟锡合金“缝合”了牛蛙断裂的坐骨神经，推动了人类神经修复和连接的研究进展。此外，镓铂合金由于其生物学性能远超银汞合金，可替代银汞合金作为良好的镶牙材料。

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未来的“战略高地”

我国是全球金属镓的最大生产国，但生产的多为镓的初级产品（粗镓，即纯度在99.9%（3N级）~99.99%（4N级）的镓），约占全球总产量的75%，主要供应美国、日本、欧盟和韩国等国家，用于高端半导体材料深加工产业。长期以来，我国一直面临出口镓的初级产品，进口镓深加工高端产品（高纯镓、砷化镓等镓基化合物）的尴尬处境。与此同时，由于再生镓（即从含镓工业废料中回收的镓）对原生镓（即直接从自然界矿物中提炼的镓）有较好的替代性，再生镓在总消耗量中的比例不断增加。日本的镓回收技术最为先进，其再生镓的产量已能满足自身需求的55%。可见，加强镓资源的保护和管理，发展镓的深加工产业，减少对进口LED芯片等镓的高端产品的依赖，是我国未来镓行业的发展之路。

半导体行业是镓最主要的消费领域，而砷化镓作为第二代半导体材料，其全球镓消费量的占比高达80%；氮化镓作为第三代半导体材料的代表占比已达7%，且比重不断扩大。随着光伏产业的迅速发展，铜铟镓硒太阳能薄膜电池逐渐成为镓重要的消费领域之一，约占全球镓消费量的5%左右。从消费领域不难看出，镓具有不言而喻的战略意义。

▲半导体芯片

至此，我们揭开了镓的“神秘面纱”。以镓金属为基体制备的一系列化合物，如半导体材料、光学电子材料、特殊合金、有机金属材料和新型功能材料等，是通信、军工、航空航天、新能源、医药等高新技术领域重要的基础材料之一，是我国抢占战略高地的关键，也是我国积极发展集成电路、信息网络、新能源等新兴产业的主战场。镓作为21世纪的新兴矿产材料，是“保证我国矿产资源安全计划”的关键矿产和战略资源。