इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए दुर्लभ पृथ्वी धातुएं क्यों महत्वपूर्ण हैं?


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मैं मीडिया में बहुत कुछ सुन रहा हूं कि दुर्लभ पृथ्वी धातुएं (उनके निर्यात को सीमित करने वाले चीन के आर्थिक दृष्टिकोण से) कितनी महत्वपूर्ण हैं, लेकिन उनमें से कुछ वास्तव में क्या करते हैं जो उन्हें इतना आवश्यक बनाता है कि अधिक के साथ नहीं किया जा सकता सिलिकॉन, सोना, तांबा, एल्यूमीनियम, जर्मेनियम, आदि जैसे सामान्य तत्व? ऐसा लगता है कि एक डिजिटल कंप्यूटर के सभी बिल्डिंग ब्लॉक जैसे ट्रांजिस्टर उनके बिना बनाए जा सकते हैं, तो सभी उपद्रव क्यों?

मैंने लेखों के लिए लगभग थोड़ा खोदा है, लेकिन उन सभी को आम जनता के लिए लिखा गया है और केवल उन नामों के लिए है जिन्हें वास्तविक घटकों के बजाय दुर्लभ पृथ्वी की आवश्यकता होती है।


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आपको एक पुस्तक पढ़ने या अर्धचालक भौतिकी पर एक कक्षा लेने की आवश्यकता है। उस पृष्ठभूमि के साथ उत्तर स्पष्ट है, उस पृष्ठभूमि के बिना कोई भी उत्तर पर्याप्त नहीं होगा।
मार्क

ध्यान दें, "सामान्य तत्वों" की सूची में सोना और तांबा कैसे मिला? वे उस सूची में सबसे ऊपर हैं जो हम पहले से चला रहे हैं।
मार्क

सोना दुर्लभ है, लेकिन यह संदर्भित दुर्लभ पृथ्वी में से एक नहीं है कि यह केवल चीन में ही बल्कि विभिन्न प्रकार के स्थानों में पाया जा सकता है।
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@ मर्क क्या अधिकांश अर्धचालकों में दुर्लभ पृथ्वी एक आम डोपेंट है? यहाँ सूची में: en.wikipedia.org/wiki/Rare_earth_element - यह एक आवेदन के रूप में लेज़रों को सूचीबद्ध करता है, लेकिन ट्रांजिस्टर या आईसी के बारे में बहुत कुछ नहीं कहता है।
बिट्रेक्स

@ मर्क - आपकी पहली टिप्पणी वास्तव में इस प्रश्न के सर्वश्रेष्ठ उत्तरों में से एक है। शायद अपने वर्तमान रूप में नहीं, लेकिन "सेमीकंडक्टर भौतिकी में यह निर्धारित होता है कि दुर्लभ पृथ्वी धातुओं का उपयोग निम्नलिखित अनुप्रयोगों में किया जाता है: <संक्षिप्त सूची>" रूप, यह उस प्रश्न का सबसे अच्छा उत्तर है। मुझे अभी तक अर्धचालक भौतिकी नहीं पता है, इसलिए मैं उस उत्तर को प्रदान नहीं कर सकता।
केविन वर्मर

जवाबों:


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यद्यपि टैंटलम दुर्लभ पृथ्वी में से एक नहीं है - यह "संक्रमण धातुओं" में से एक है, जैसे सोना - टैंटलम की कमी (पृथ्वी की पपड़ी का 1 या 2 पीपीएम) और इलेक्ट्रॉनिक्स में प्राथमिक उपयोग (टैंटलम कैपेसिटर) के साथ फिट बैठता है इस सवाल का दायरा।

अमेरिका में हाल के कानून (जुलाई, 2010) में कंपनियों को खुलासा करने की आवश्यकता है कि क्या वे कांगो लोकतांत्रिक गणराज्य (डीआरसी) से प्राप्त टैंटलम के साथ उत्पादों का उपयोग कर रहे हैं। नतीजतन, कीमतें तेजी से बढ़ी हैं क्योंकि अन्य उत्पादक धीरे-धीरे वापस आ गए हैं। ऑस्ट्रेलिया की एक खदान वैश्विक वैश्विक उत्पादन का 1/3 प्रतिनिधित्व करती है।

स्रोत: रायटर

(नोट: ग्राफ का ऊर्ध्वाधर स्तर शून्य पर शुरू नहीं होता है, यह थोड़ा विकृत रूप देता है। पूर्ण आकार का ग्राफ यहाँ है )

क्योंकि इलेक्ट्रोलाइटिक टैंटलम कैपेसिटर एक ही क्षमता के एल्यूमीनियम इलेक्ट्रोलाइटिक कैपेसिटर की तुलना में बहुत छोटे हो सकते हैं, और उच्च वोल्टेज रेटिंग्स हैं, उनका उपयोग लगभग सभी सेल फोन में, और अन्य पोर्टेबल इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में किया जाता है।

मैंने कुछ साल पहले एक उत्पाद में 1000 inF "टेंट" के एक जोड़े में डिज़ाइन किया था, और हाल ही में अनुबंध निर्माता ने हमसे यह कहते हुए संपर्क किया कि भागों पर प्रमुख समय 16 सप्ताह तक बढ़ा था और पूछा कि क्या मुझे कोई विकल्प मिल सकता है। इस अभ्यास के परिणामस्वरूप, अपने नवीनतम डिजाइन में मैं एल्युमीनियम इलेक्ट्रोलाइटिक कैपेसिटर को सतह-माउंट करने के लिए वापस चला गया, भले ही एक महत्वपूर्ण स्थान जुर्माना था।


टैंटलम के लिए अग्रणी समय 42 सप्ताह से अधिक होने पर मुझे खरीद से एक समान प्रश्न मिला , और कीमतें तेजी से बढ़ीं। जिन कारणों के लिए आप उल्लेख करते हैं (छोटे आकार का) एल्यूमीनियम का उपयोग करना लगभग असंभव था।
स्टीवनवह जूल 6'11

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नायोबियम का उपयोग पहले एक टैंटलम विकल्प के रूप में किया गया है। यह भी पहली बार नहीं है जब टैंटलम की आपूर्ति बाधित हुई है; मुझे याद है कि यह 90 के दशक में भी हो रहा था, जिसके कारण छोटे एसएमडी एल्यूमीनियम कैपेसिटर, पॉलिमर इलेक्ट्रोलाइटिक्स, नाइओबियम कैपेसिटर और उच्च घनत्व वाले मल्टीलेयर सिरेमिक विकसित हुए।
माइक डीमोन

@tcrosley - यह आपको सूचित करना है कि फेडेरिको ने आपके उत्तर को संपादित किया है। रोलबैक अगर आपको यह पसंद नहीं है। (संपादन की एक स्वचालित अधिसूचना नहीं लगती है)
स्टीवनह

@stevenvh, अधिसूचना के लिए धन्यवाद। फेडेरिको ग्राफ के बारे में एक वैध बिंदु बनाता है, और पूर्ण आकार वाले के लिए लिंक उन लोगों के लिए अच्छा है जिन्हें मेरे द्वारा एम्बेड किए गए छोटे को देखने में परेशानी होती है। तो मैं इसे छोड़ दूंगा।
tcrosley

तो, वास्तव में, उनके बिना कर सकते हैं, लेकिन अंतरिक्ष, वजन, तापमान, या ऊर्जा दक्षता की कीमत पर, तत्व के उपयोग की परिस्थितियों के आधार पर प्रतिस्थापित किया जा रहा है?
Utopia.in

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इसकी पैकेजिंग सहित एक एकीकृत सर्किट में वास्तव में क्या है, इस पर एक नज़र डालें। सिलिकॉन अपने आप में प्रचुर मात्रा में है (उच्च शुद्धता और अच्छे क्रिस्टल संरचना को परिष्कृत करने के लिए महंगा है, लेकिन फिर भी प्रचुर मात्रा में है), लेकिन पी और एन सेमीकंडक्टर बनाने के लिए उपयोग किए जाने वाले डोपिंग तत्वों के बारे में क्या? एल ई डी के बारे में क्या? वे आमतौर पर सिलिकॉन नहीं होते हैं और अक्सर गैलियम होते हैं, उदाहरण के लिए। सेमीकंडक्टर्स में उपयोग किए जाने वाले विशेष सिरेमिक के बारे में क्या है जो थर्मल गुणों को सिलिकॉन से निकटता से मेल खाना चाहिए? सिरेमिक कैपेसिटर से बने विभिन्न प्रकार के सिरेमिक पर एक नज़र डालें।

तांबे और सिलिकॉन की तुलना में इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए बहुत अधिक सामग्री है।


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मुझे पता है कि इसमें बहुत अधिक तत्व शामिल हैं, लेकिन मुझे लगता है कि मेरा प्रश्न यह है कि क्या ये वास्तव में आवश्यक हैं या यदि अन्य व्यवहार्य विकल्प हैं जो दुर्लभ पृथ्वी नहीं हैं?
यूटोपिया लिमिटेड

@utopialtd: यदि बेहतर विकल्प होते, तो क्या आपको नहीं लगता कि उनका उपयोग किया जाता? इन सामग्रियों का उपयोग किया जाता है क्योंकि सभी ट्रेडऑफ़ के बाद, वे सबसे अच्छा जवाब हैं। कुछ के पास विकल्प हो सकते हैं, लेकिन वे शायद वर्तमान तकनीक के साथ काम नहीं करते हैं, महंगे रिटूलिंग आदि की आवश्यकता होती है
ओलिन लेथ्रोप

"सिलिकॉन ही प्रचुर मात्रा में है"। "प्रचुरता" संयुक्त राष्ट्र की समझ है। साधारण रेत में लगभग 1/3 सिलिकॉन होता है।
फेडेरिको रूसो

सिलिकॉन के लिए पी एंड एन डोपेंट बोरॉन / आर्सेनिक / फास्फोरस उबाऊ हैं। गैलियम एलईडी और सामान के लिए है।
बार्समोनस्टर

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@ ओलिन: "इन सामग्रियों का उपयोग किया जाता है क्योंकि सभी ट्रेडऑफ़ के बाद, वे सबसे अच्छा जवाब हैं।" लेकिन अगर वे अधिक महंगे हो रहे हैं, तो ट्रेडऑफ बदलते हैं।
एंडोलिथ

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यह जरूरी नहीं कि सिलिकॉन चिप्स वे जिस बारे में बात कर रहे हैं। टैंटलम कैपेसिटर में जाता है, टिन में मिलाप, लिथियम बैटरी में। Neodymium सुपर-मजबूत छोटे मैग्नेट में जाता है जो आपके मैकबुक पर आपके iPad या वॉल एडॉप्टर पर कवर रखता है।

ये विभिन्न घटक अतीत में अधिक प्रचुर तत्वों से बने कई मामलों में थे, लेकिन भौतिक विज्ञान की सफलताओं ने कुछ (अपेक्षाकृत महंगे) उत्पादों में महान सुधार की अनुमति दी और अतिरिक्त सामग्री लागत के लायक थे। 1980 के एक iPhone से मोटोरोला "ईंट" सेलफोन की तुलना करें और यह केवल चिप्स नहीं है जो नाटकीय रूप से सुधार हुआ है। मैग्नेट लोहे से बना हो सकता है, बैटरी से सीसा बनाया जा सकता है, कैपेसिटर को एल्यूमीनियम से बनाया जा सकता है। यह सिर्फ इतना है कि वे उपकरण नाटकीय रूप से बड़े, भारी या किसी अन्य तरीके से अपने आधुनिक समकक्षों की तुलना में बदतर हैं।

हाल ही में यह सवाल किया जा रहा है कि क्या ये मानव लागत के लायक हैं, जीवन कांगो की खानों के आसपास युद्ध और गुलामी के लिए खो गया है कि स्रोत टैंटलम, टिन और टंगस्टन। एक और सवाल यह है कि चीन के रूप में क्या होगा, जो दुनिया के अधिकांश दुर्लभ पृथ्वी तत्वों की आपूर्ति करता है जैसे कि नियोडिमियम, अपनी खुद की विनिर्माण क्षमता को ईंधन देने के लिए निर्यात पर वापस कटौती करता है। (उत्तर: कैलिफ़ोर्निया में मोलीकोर्प एक पुरानी खदान को फिर से खोल रहा है।)

यह तुलनात्मक तर्क है कि क्या तेल से चलने वाली कार चलाना अनैतिक है जब लोग तेल के लिए युद्ध लड़ रहे हों। यह समस्या इतनी अधिक नहीं है कि तेल आज दुर्लभ है क्योंकि ग्रह पर इसका क्लस्टरिंग वितरण उत्पादन को एकाधिकार द्वारा धन को केंद्रित करता है, यदि यह समान रूप से वितरित किया गया हो। बेशक हम कल्पना कर सकते हैं कि कुछ दशकों के भीतर आपूर्ति सुचारू हो सकती है, लेकिन यह 5-15 साल की तुलना में थोड़ा अधिक है, ज्यादातर लोग अपनी अगली कार रखेंगे। आप कोयले से चलने वाले स्टीम इंजन या कोयले से चलने वाले इलेक्ट्रिक प्लांट से बैटरी, या बैटरी चार्ज करने वाले सोलर पैनल चार्ज करने वाली कार को पावर दे सकते हैं, लेकिन गैसोलीन में इस समय फीचर और कीमत का बेहतरीन मिश्रण है, जहां तक ​​सबसे अधिक भुगतान करने वाले ग्राहक हैं। चिंतित। यह देखा जाना चाहिए कि क्या कम लागत से पहले मानवता के थोक इलेक्ट्रिक कारों के लिए गैसोलीन को छोड़ देंगे।

जरूरी नहीं कि चीजें बेहतर तरीके से हों। बैटरियों को अन्य तत्वों से बनाया जा सकता है, जो लोहे और सोडियम जैसे अधिक भरपूर मात्रा के आदेश हैं, लेकिन उन बैटरियों में कभी लिथियम बैटरी के प्रति ऊर्जा नहीं हो सकती है। यह संभव है कि कुछ शताब्दियों में, तेल, कोयला, लिथियम, आदि के बाद खनन किया जाता है, लोग कारों को चलाएंगे जिनकी रेंज आज की तुलना में बहुत कम है, लेकिन यह बहुत जल्दी रिचार्ज करता है कि यह बहुत ज्यादा मायने नहीं रखता है। दूसरी तरफ कुछ बेहतर हो सकता है, या जो जानता है, शायद हम सब तब तक वीडियोकांफ्रेंसिंग करेंगे।

इन समस्याओं पर वैज्ञानिक काम कर रहे हैं, लेकिन भौतिक विज्ञान एक धीमा क्षेत्र है। कंप्यूटर में किसी नई सामग्री के स्थूल गुणों को मॉडल करना असंभव नहीं है। प्रगति अनिवार्य रूप से शिक्षित परीक्षण और त्रुटि के माध्यम से आती है। यहां तक ​​कि एक बार जब एक नई सामग्री को अच्छी तरह से समझा जाता है, तो सैद्धांतिक मॉडल और प्रयोगात्मक परीक्षण पूरी तरह से नहीं हो सकते हैं। वांछित गुणों की एक इच्छा सूची से नई सामग्रियों को मनगढ़ंत करने की कोशिश में दशकों लग सकते हैं।


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खैर, इस सब के बीच व्यापार उपद्रव की एक बहुत कुछ है। वास्तव में, आपको आधुनिक उपभोक्ता (माइक्रो) इलेक्ट्रॉनिक्स में बहुत कम दुर्लभ पृथ्वी सामग्री की आवश्यकता है। कुछ इलेक्ट्रॉनिक्स वास्तव में उन पर बहुत अधिक निर्भर करते हैं (जैसे कि कुछ समय लेजर और एल ई डी), लेकिन वे शायद ही दुनिया के उत्पादन की महत्वपूर्ण मात्रा का उपभोग करते हैं। इसके अलावा, उल्लेखनीय उपयोग स्थायी मैग्नेट के लिए है।

दुर्लभ पृथ्वी के प्रमुख उपयोगकर्ता विशेष प्रकार के स्टील और अंतरिक्ष / सैन्य / परमाणु क्षेत्रों में उपयोग की जाने वाली अन्य सामग्री हैं (और जाहिर है कि कोई भी नहीं बताएगा कि वहां प्रति देश कितना उपयोग किया जाता है)।

इसके अलावा, यहां देखें: http://en.wikipedia.org/wiki/Rare_earth_element#List


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इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए दुर्लभ पृथ्वी धातुएं क्यों महत्वपूर्ण हैं?

क्योंकि "आयनिक आकार" नाम की एक ही संपत्ति इस धातु को दोनों बनाती है:

  • विद्युतीय विद्युत बुद्धिमान
  • और भूवैज्ञानिक रूप से दुर्लभ (जिसने उन्हें नाम दिया)

इस तत्वों में से प्रत्येक के लिए परमाणु द्रव्यमान के साथ आयनिक आकार के अनुपात का कुछ विशेष मूल्य उन्हें प्रकृति में ध्यान केंद्रित करने और रासायनिक रूप से अलग करने में मुश्किल बना देगा। समान अनुपात में फेरोइलेक्ट्रिकिटी, फेरोमैग्नेटिज्म, ऑक्साइड के उच्च ढांकता हुआ निरंतर जैसे गुण होते हैं जो विभिन्न आयनिक आकार वाले अन्य कम दुर्लभ तत्वों से बेहतर होते हैं।

दुर्लभ तत्वों की उच्च लागत का एक प्राकृतिक कारण है। साइड नोट: इलेक्ट्रॉनिक्स में सबसे दुर्लभ और सबसे महंगे तत्व "विनीत" और "अनफॉर्डियम" हैं।

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