Чому рідкоземельні метали важливі для електроніки?

Я багато чув у ЗМІ про те, наскільки важливими є рідкісноземельні метали (з економічної точки зору Китаю, що обмежує їх експорт), але те, що деякі з них насправді роблять, робить їх настільки важливими, що неможливо зробити більше поширені елементи, такі як кремній, золото, мідь, алюміній, германій тощо? Здається, всі будівельні блоки цифрового комп'ютера, такі як транзистори, можна зробити без них, так навіщо все суєти?

Я трохи перекопався до статей, але всі вони написані для широкої громадськості та називають лише те, що для пристроїв потрібні рідкісні землі, а не фактичні компоненти.

Хоча тантал не є однією з рідкісних земель - він є одним із "перехідних металів", як золото - дефіцит танталу (1 або 2 проміле земної кори) і первинне використання в електроніці (танталові конденсатори) вписується в Обсяг цього питання.

Недавнє законодавство США (липень 2010 р.) Вимагає від компаній розкриття інформації про те, що вони використовують тантал, отриманий з Демократичної Республіки Конго (ДРК). В результаті ціни різко зросли, оскільки інші виробники повільно повертаються онлайн. Одна шахта в Австралії становить 1/3 потенційного світового виробництва.

(Примітка: вертикальна шкала графіка не починається з нуля, вона надає дещо спотворений вигляд. Графік повного розміру тут )

Оскільки електролітичні танталові конденсатори можуть бути набагато меншими, ніж алюмінієві електролітичні конденсатори однакової ємності та мають більш високі показники напруги, вони використовуються майже у всіх стільникових телефонах та в іншому портативному електронному обладнанні.

Я пару років тому розробив "тарти" на 1000 мкФ, і нещодавно виробник контракту зв'язався з нами, сказавши, що час роботи деталей розтягнувся на 16 тижнів і запитав, чи можна знайти заміну. В результаті цієї вправи в останньому дизайні я повернувся до поверхнево встановлених алюмінієвих електролітичних конденсаторів, незважаючи на те, що відбулося значне космічне покарання.

Погляньте, що насправді є в інтегральній схемі, включаючи її упаковку. Кремній сам по собі багатий (дорого доопрацьований до високої чистоти та хорошої кристалічної структури, але, тим не менш, рясний), але як бути з легуючими елементами, які використовуються для виготовлення напівпровідника P і N? Що з світлодіодами? Вони, як правило, не кремній і часто містять галій, наприклад. А як щодо спеціальної кераміки, що використовується в напівпровідниках, які повинні мати теплові властивості, тісно відповідні кремнію? Погляньте, з чого складається різноманітна кераміка керамічних конденсаторів.

Для електроніки набагато більше матеріалу, ніж мідь та кремній.

Це не обов'язково кремнієві чіпи, про які вони говорять. Тантал переходить в конденсатори, олово в припої, літій - в батареї. Неодим перетворюється на надмірно маленькі магніти, які тримають кришку на вашому iPad або настінному адаптері на вашому MacBook.

Ці різні компоненти в багатьох випадках вже були виготовлені з більш рясних елементів у минулому, але прориви матеріалознавства дозволили досягти великих вдосконалень, які в деяких (відносно дорогих) виробах були і коштують додаткових матеріальних витрат. Порівняйте «цегляний» мобільний телефон Motorola з 1980-х років з iPhone, і це не лише чіпи, які значно покращилися. Магніти можуть бути виготовлені із заліза, батареї можуть бути виготовлені із свинцю, конденсатори - з алюмінію. Просто ці пристрої є значно більшими, важчими або якимось іншим чином гіршими, ніж їх більш сучасні аналоги.

Останнім часом виникає сумнів, чи коштують вони людські кошти, життя, втрачене війною та рабством навколо конголезьких шахт, які випробовують тантал, олово та вольфрам. Інше питання - що станеться з Китаєм, який забезпечує більшу частину світових запасів рідкісних земних елементів, таких як неодим, скорочує експорт для споживання власних виробничих потужностей. (Відповідь: Molycorp відновлює стару шахту в Каліфорнії.)

Це порівнянний аргумент того, що керування автомобілем, що працює на нафті, є аморальним, коли люди воюють за нафту. Проблема полягає не стільки в тому, що нафта сьогодні є рідкісною, а тому, що її кластерне розподілення по планеті робить концентрацію багатства шляхом монополізації виробництва легше, ніж якби вона розподілялася більш рівномірно. Звичайно, ми можемо уявити, що запаси висихають протягом декількох десятиліть, але це зовсім трохи далі, ніж через 5-15 років більшість людей збережуть свою наступну машину. Ви можете живити автомобіль паровим двигуном на вугіллі або електростанцією, що заряджає вугілля, яка заряджає батареї, або сонячними батареями, що заряджають батареї, але бензин має найкращий набір функцій та ціни на даний момент, наскільки більшість платящих клієнтів зацікавлений. Залишається зрозуміти, чи буде основну частину людства відмовитись від бензину для електромобілів, перш ніж вони коштуватимуть дешевше.

Не обов’язково так, щоб справи невблаганно покращувалися. Акумулятори можна виготовляти з інших елементів, на порядок яких є більше, таких як залізо та натрій, але ці батареї ніколи не можуть мати енергію на вагу літієвої батареї. Цілком можливо, що через кілька століть, після видобутку нафти, вугілля, літію тощо, люди будуть їздити на автомобілях, які мають набагато менший простір, ніж сьогодні, але це заряджається досить швидко, що це не має великого значення. З іншого боку, може статися щось набагато краще, або хто знає, можливо, до цього часу всі ми будемо проводити відеоконференції.

Є вчені, які працюють над цими проблемами, але матеріалознавство - поле повільне. Моделювати макроскопічні властивості нового матеріалу в комп'ютері дуже важко, якщо не неможливо. По суті, прогрес відбувається через освічені спроби та помилки. Навіть коли новий матеріал досить добре зрозумілий, теоретична модель та експериментальне тестування можуть не вирівнятися ідеально. Спроба виготовити нові матеріали зі списку бажаних властивостей може зайняти десятиліття.

Ну, є багато торгової суєти навколо всього цього. Насправді, у сучасній споживчій (мікро) електроніці вам потрібно дуже мало рідкісноземельних матеріалів. Деякі електроніки справді сильно залежать від них (як у деякі часи лазерів та світлодіодів), але вони навряд чи споживають значну кількість світового виробництва. Також помітне використання для постійних магнітів.

Основними користувачами рідкісних земель є спеціальні типи сталі та інших матеріалів, що використовуються в космічних / військових / ядерних районах (і, очевидно, ніхто не виявить, скільки там використовується в кожній країні).

Також подивіться тут: http://en.wikipedia.org/wiki/Rare_earth_element#List

Чому рідкоземельні метали важливі для електроніки?

Оскільки однакова властивість під назвою "іонний розмір" робить ці метали обома:

• надзвичайний електрично мудрий
• і геологічно рідкісні (що дало їм назву)

Якесь особливе значення співвідношення іонного розміру з атомною масою для кожного з цих елементів ускладнить їх концентрацію в природі і розділити хімічно. Це ж співвідношення призводить до того, що такі властивості, як сегнетоелектричність, феромагнетизм, висока діелектрична константа оксидів тощо, перевершують інші менш рідкісні елементи з різними іонними розмірами.

Висока вартість рідкісних елементів є природною причиною. Бічна примітка: Найрідкіснішими та найдорожчими елементами в електроніці є "unobtanium" та "unaffordium".