Tại sao kim loại đất hiếm quan trọng cho điện tử?

Tôi đã được nghe rất nhiều trên các phương tiện truyền thông về việc kim loại đất hiếm quan trọng như thế nào (từ quan điểm kinh tế của Trung Quốc hạn chế xuất khẩu của họ), nhưng một số trong số họ thực sự làm gì khiến chúng trở nên thiết yếu đến mức không thể làm được nhiều hơn các yếu tố phổ biến như silicon, vàng, đồng, nhôm, gecmani, v.v? Dường như tất cả các khối xây dựng của một máy tính kỹ thuật số như bóng bán dẫn có thể được tạo ra mà không có chúng, vậy tại sao tất cả lại ồn ào?

Tôi đã tìm hiểu một chút về các bài báo, nhưng tất cả những thứ đó được viết cho công chúng nói chung và chỉ nêu tên những thiết bị nào yêu cầu đất hiếm hơn là các thành phần thực tế.

Mặc dù tantalum không phải là một trong những loại đất hiếm - nó là một trong những "kim loại chuyển tiếp", giống như sự khan hiếm của vàng - tantalum (1 hoặc 2 ppm của vỏ trái đất) và sử dụng chính trong điện tử (tụ điện tantalum) phù hợp với phạm vi của câu hỏi này.

Luật pháp gần đây tại Hoa Kỳ (tháng 7 năm 2010) yêu cầu các công ty tiết lộ nếu họ đang sử dụng các sản phẩm có tantalum thu được từ Cộng hòa Dân chủ Congo (DRC). Do đó, giá đã tăng mạnh khi các nhà sản xuất khác quay lại trực tuyến. Một mỏ ở Úc đại diện cho 1/3 sản lượng toàn cầu tiềm năng.

(Lưu ý: tỷ lệ dọc của biểu đồ không bắt đầu từ 0, nó mang lại một cái nhìn hơi méo. Biểu đồ kích thước đầy đủ ở đây )

Bởi vì các tụ điện điện phân có thể nhỏ hơn nhiều so với các tụ điện điện phân nhôm có cùng công suất và có xếp hạng điện áp cao hơn, chúng được sử dụng trong hầu hết các điện thoại di động và trong các thiết bị điện tử cầm tay khác.

Tôi đã thiết kế một vài 1000 "tant" thành một sản phẩm vài năm trước, và gần đây nhà sản xuất hợp đồng đã liên lạc với chúng tôi nói rằng thời gian dẫn đầu của các bộ phận đã kéo dài đến 16 tuần và hỏi tôi có thể tìm được người thay thế không. Kết quả của bài tập này, trong thiết kế mới nhất của tôi, tôi đã quay trở lại các tụ điện điện phân nhôm bề mặt, mặc dù có một hình phạt không gian đáng kể.

Hãy xem những gì thực sự trong một mạch tích hợp, bao gồm cả bao bì của nó. Bản thân silic rất phong phú (đắt tiền để tinh chế độ tinh khiết cao và cấu trúc tinh thể tốt, nhưng dù sao cũng rất phong phú), nhưng còn các nguyên tố pha tạp được sử dụng để sản xuất chất bán dẫn P và N thì sao? Còn đèn LED thì sao? Những thứ đó thường không phải là silicon và thường chứa gallium chẳng hạn. Điều gì về gốm sứ đặc biệt được sử dụng trong chất bán dẫn cần phải có tính chất nhiệt phù hợp chặt chẽ với silicon? Hãy xem những gì gốm sứ của các tụ gốm được làm bằng.

Có nhiều vật liệu điện tử hơn đồng và silicon.

Đó không nhất thiết là chip silicon mà họ đang nói đến. Tantalum đi vào tụ điện, thiếc thành hàn, lithium vào pin. Neodymium đi vào các nam châm nhỏ siêu mạnh giữ nắp trên iPad hoặc bộ điều hợp treo tường trên MacBook của bạn.

Những thành phần khác nhau này trong nhiều trường hợp đã được tạo ra từ các yếu tố phong phú hơn trong quá khứ, nhưng những đột phá về khoa học vật liệu cho phép những cải tiến lớn mà trong một số sản phẩm (tương đối đắt tiền) đã có và đáng giá hơn chi phí vật liệu. So sánh một chiếc điện thoại di động "cục gạch" của Motorola từ những năm 1980 với iPhone và nó không chỉ là những con chip được cải thiện đáng kể. Nam châm có thể được làm bằng sắt, pin có thể được làm bằng chì, tụ điện có thể được làm bằng nhôm. Chỉ là những thiết bị đó lớn hơn đáng kể, nặng hơn hoặc theo một cách khác tệ hơn so với các thiết bị hiện đại hơn của chúng.

Gần đây, người ta đã đặt câu hỏi rằng liệu những thứ này có xứng đáng với chi phí của con người hay không, cuộc sống bị mất vì chiến tranh và nô lệ xung quanh các mỏ của Congo có nguồn tantalum, thiếc và vonfram. Một câu hỏi khác là điều gì sẽ xảy ra khi Trung Quốc, nơi cung cấp phần lớn nguồn cung cấp các nguyên tố đất hiếm trên thế giới như neodymium, cắt giảm xuất khẩu để thúc đẩy năng lực sản xuất của chính nước này. (Trả lời: Molycorp đang mở lại một mỏ cũ ở California.)

Đó là một lập luận tương đương với việc lái xe ô tô chạy bằng dầu là vô đạo đức khi mọi người đang chiến đấu với dầu. Vấn đề không phải là quá nhiều đến nỗi ngày nay dầu rất hiếm vì sự phân phối của nó trên khắp hành tinh khiến việc tập trung sự giàu có bằng cách độc quyền sản xuất dễ dàng hơn so với việc nó được phân phối đều hơn. Tất nhiên chúng ta có thể tưởng tượng nguồn cung cấp cạn kiệt trong vòng vài thập kỷ, nhưng đó là một chút xa hơn so với 5-15 năm hầu hết mọi người sẽ giữ chiếc xe tiếp theo của họ. Bạn có thể cung cấp năng lượng cho xe bằng động cơ hơi nước đốt than hoặc nhà máy điện đốt than để sạc pin, hoặc pin mặt trời sạc pin, nhưng xăng có sự kết hợp tốt nhất giữa các tính năng và giá cả cho đến khi hầu hết khách hàng trả tiền lo âu. Vẫn còn phải xem nếu phần lớn nhân loại sẽ từ bỏ xăng cho xe điện trước khi chúng có giá thấp hơn.

Đó không nhất thiết là trường hợp mọi thứ sẽ trở nên tốt hơn. Pin có thể được tạo ra từ các yếu tố khác có độ lớn dồi dào hơn, chẳng hạn như sắt và natri, nhưng những pin đó có thể không bao giờ có năng lượng trên mỗi trọng lượng của pin lithium. Có thể trong một vài thế kỷ, sau khi khai thác dầu, than, liti, v.v., mọi người sẽ lái những chiếc xe có phạm vi ít hơn nhiều so với hiện nay, nhưng việc sạc lại đủ nhanh mà không quá quan trọng. Mặt khác, một cái gì đó tốt hơn có thể xuất hiện, hoặc ai biết được, có lẽ tất cả chúng ta sẽ là hội nghị truyền hình vào lúc đó.

Có những nhà khoa học làm việc về những vấn đề này, nhưng khoa học vật liệu là một lĩnh vực chậm. Rất khó nếu không thể mô hình hóa các tính chất vĩ mô của vật liệu mới trong máy tính. Tiến bộ về cơ bản đến từ thử nghiệm giáo dục và lỗi. Ngay cả khi một vật liệu mới được hiểu khá rõ, mô hình lý thuyết và thử nghiệm thử nghiệm có thể không xếp hàng hoàn hảo. Cố gắng pha chế các vật liệu mới từ một danh sách mong muốn của các thuộc tính mong muốn có thể mất nhiều thập kỷ.

Vâng, có rất nhiều giao dịch ồn ào xung quanh tất cả điều này. Trên thực tế, bạn cần rất ít vật liệu đất hiếm trong thiết bị điện tử tiêu dùng (vi mô) hiện đại. Một số thiết bị điện tử thực sự phụ thuộc rất nhiều vào chúng (như một số lần laser và đèn LED), nhưng chúng hầu như không tiêu thụ một lượng đáng kể sản xuất thế giới. Ngoài ra, sử dụng đáng chú ý là cho nam châm vĩnh cửu.

Những người sử dụng đất hiếm là các loại thép đặc biệt và các vật liệu khác được sử dụng trong các khu vực vũ trụ / quân sự / hạt nhân (và rõ ràng không ai tiết lộ số lượng được sử dụng ở đó cho mỗi quốc gia).

Ngoài ra, hãy xem tại đây: http://en.wikipedia.org/wiki/Rare_earth_element#List

Tại sao kim loại đất hiếm quan trọng cho điện tử?

Bởi vì cùng một thuộc tính có tên là "kích thước ion" làm cho cả hai kim loại này:

• khôn ngoan về điện
• và hiếm về mặt địa chất (đã đặt tên cho họ)

Một số giá trị đặc biệt của tỷ lệ kích thước ion với khối lượng nguyên tử cho mỗi nguyên tố này sẽ khiến chúng khó tập trung trong tự nhiên và tách biệt về mặt hóa học. Tỷ lệ giống nhau làm cho các tính chất như sắt điện, sắt từ, hằng số điện môi cao của các oxit, vv là vượt trội so với các nguyên tố ít hiếm khác với kích thước ion khác nhau.

Chi phí cao của các yếu tố hiếm có nguyên nhân tự nhiên. Lưu ý bên lề: Các yếu tố hiếm nhất và đắt nhất trong thiết bị điện tử là "không phô trương" và "không liên kết".