Почему редкоземельные металлы важны для электроники?

Я много слышал в средствах массовой информации о том, насколько важны редкоземельные металлы (с экономической точки зрения, когда Китай ограничивает их экспорт), но то, что на самом деле делают некоторые из них, делает их настолько важными, что невозможно сделать с помощью большего количества общие элементы, такие как кремний, золото, медь, алюминий, германий и т. д.? Кажется, что все строительные блоки цифрового компьютера, такие как транзисторы, могут быть сделаны без них, так почему же весь этот шум?

Я немного покопался в статьях, но все они написаны для широкой публики и показывают только то, какие устройства требуют редких земель, а не реальных компонентов.

Хотя тантал не является одной из редких земель, он является одним из «переходных металлов», таких как золото, - дефицит тантала (1 или 2 ч / млн земной коры) и основное использование в электронике (конденсаторы тантала) соответствуют Сфера этого вопроса.

Недавнее законодательство США (июль 2010 года) требует от компаний раскрывать информацию о том, используют ли они продукты с танталом, полученные из Демократической Республики Конго (ДРК). В результате цены резко возросли, поскольку другие производители медленно возвращаются в онлайн. Один рудник в Австралии представляет 1/3 потенциального мирового производства.

(Примечание: вертикальный масштаб графика не начинается с нуля, он дает слегка искаженный вид. Полноразмерный график здесь )

Поскольку электролитические танталовые конденсаторы могут быть намного меньше алюминиевых электролитических конденсаторов той же емкости и иметь более высокое номинальное напряжение, они используются практически во всех мобильных телефонах и в другом портативном электронном оборудовании.

Пару лет назад я спроектировал пару «трусов» по ​​1000 мкФ в продукт, и недавно контрактный производитель связался с нами, сказав, что время выполнения заказа деталей увеличилось до 16 недель, и спросил, могу ли я найти замену. В результате этого упражнения в моей последней конструкции я вернулся к алюминиевым электролитическим конденсаторам для поверхностного монтажа, даже при том, что было значительное космическое наказание.

Посмотрите на то, что на самом деле в интегральной схеме, включая ее упаковку. Сам кремний в изобилии (дорогостоящий для очистки до высокой чистоты и хорошей кристаллической структуры, но тем не менее в изобилии), но как насчет легирующих элементов, используемых для изготовления P и N полупроводников? А как насчет светодиодов? Они обычно не кремниевые и часто содержат, например, галлий. Как насчет специальной керамики, используемой в полупроводниках, которые должны иметь тепловые свойства, точно соответствующие кремнию? Посмотрите, из чего сделана керамика из керамики.

В электронике гораздо больше материала, чем в меди и кремнии.

Это не обязательно кремниевые чипы, о которых они говорят. Тантал входит в конденсаторы, олово в припой, литий в батареи. Неодим входит в супер-сильные маленькие магниты, которые удерживают крышку на вашем iPad или настенный адаптер на вашем MacBook.

Эти различные компоненты были во многих случаях уже сделаны из более распространенных элементов в прошлом, но открытия в области материаловедения позволили добиться значительных улучшений, которые в некоторых (относительно дорогих) продуктах были и стоят дополнительных материальных затрат. Сравните «кирпичный» сотовый телефон Motorola 1980-х годов с iPhone, и не только чипы значительно улучшились. Магниты могут быть сделаны из железа, батареи могут быть сделаны из свинца, конденсаторы могут быть сделаны из алюминия. Просто эти устройства значительно больше, тяжелее или иным образом хуже, чем их более современные аналоги.

В последнее время все больше сомневаются в том, стоят ли они человеческих жертв, человеческих жертв в результате войны и рабства вокруг конголезских шахт, которые являются источником тантала, олова и вольфрама. Другой вопрос, что произойдет, когда Китай, который поставляет большую часть мировых поставок редкоземельных элементов, таких как неодим, сокращает экспорт, чтобы питать свои собственные производственные мощности. (Ответ: Molycorp открывает старый рудник в Калифорнии.)

Это сопоставимый аргумент в пользу того, что вождение автомобиля, работающего на масле, аморально, когда люди ведут войны за нефть. Проблема не столько в том, что сегодня нефть является редкостью, сколько в том, что ее кластерное распределение по планете облегчает концентрацию богатства за счет монополизации производства, чем если бы оно распределялось более равномерно. Конечно, мы можем вообразить, что поставки иссякают в течение нескольких десятилетий, но это намного дальше, чем через 5-15 лет, когда большинство людей сохранят свою следующую машину. Вы можете привести в движение автомобиль с паровым двигателем, работающим на угле, или электростанцию, работающую на угле, которая заряжает батареи, или солнечные батареи, заряжающие батареи, но на данный момент бензин обладает наилучшим сочетанием характеристик и цены, поскольку большинство платящих клиентов являются обеспокоен. Еще неизвестно, будет ли большая часть человечества отказываться от бензина для электромобилей, прежде чем они будут стоить дешевле.

Это не обязательно так, что вещи неумолимо улучшатся. Батареи могут быть изготовлены из других элементов, которые на порядок больше, таких как железо и натрий, но эти батареи могут не иметь энергии на вес литиевой батареи. Вполне возможно, что через несколько столетий после того, как будут добыты нефть, уголь, литий и т. Д., Люди будут водить машины, у которых гораздо меньшая дальность полета, чем у них сегодня, но которые подзаряжаются достаточно быстро, чтобы это не имело большого значения. С другой стороны, может появиться что-то гораздо лучшее, или кто знает, может быть, мы все будем к тому времени проводить видеоконференции.

Есть ученые, работающие над этими проблемами, но материаловедение - медленное направление. Очень сложно, если не невозможно, смоделировать макроскопические свойства нового материала в компьютере. Прогресс, по сути, достигается путем образованного метода проб и ошибок. Даже если новый материал достаточно хорошо понят, теоретическая модель и экспериментальные испытания могут не соответствовать друг другу. Попытка придумать новые материалы из списка желаемых свойств может занять десятилетия.

Ну, вокруг всего этого много торговых сует. На самом деле, вам нужно очень мало редкоземельных материалов в современной бытовой (микро) электронике. Некоторые электронные устройства действительно сильно зависят от них (как, например, лазеры и светодиоды), но они едва ли потребляют значительное количество мирового производства. Кроме того, заметное использование для постоянных магнитов.

Основными пользователями редкоземельных элементов являются специальные виды стали и других материалов, используемых в космических / военных / ядерных областях (и, очевидно, никто не станет раскрывать, сколько их используется в каждой стране).

Также посмотрите здесь: http://en.wikipedia.org/wiki/Rare_earth_element#List

Почему редкоземельные металлы важны для электроники?

Потому что одно и то же свойство, называемое «ионный размер», делает эти металлы одновременно:

• необычайно электрически мудрый
• и геологически редкий (который дал им имя)

Некоторое специальное значение соотношения ионного размера с атомной массой для каждого из этих элементов затруднит их концентрацию в природе и химическое разделение. Такое же соотношение приводит к тому, что такие свойства, как сегнетоэлектричество, ферромагнетизм, высокая диэлектрическая проницаемость оксидов и т. Д., Превосходят другие менее редкие элементы с другим ионным размером.

Высокая стоимость редких элементов имеет естественную причину. Примечание: самые редкие и дорогие элементы в электронике - «unobtanium» и «unaffordium».