芯片制造的关键材料金属镓！中国储量全球第一，欧美也要大量进口

本文为「金十数据」原创文章，未经许可，禁止转载，违者必究。

众所周知，作为“工业维生素”，稀土是一种重要的战略金属资源，没了它，很多高科技产品都玩不转。而有一种战略金属资源，同样在高科技领域中应用广泛，也是芯片制造的关键材料。这种资源与稀土一样，都是我国的优势矿种，储量和产量全球第一。那么，到底是哪种战略金属资源？这就是接下来为各位介绍的金属镓。

镓是一种银白色的稀有金属，它的熔点很低，是自然界中少有的在常温下呈液体的金属。由于它在地壳中含量稀少，分布又比较分散，所以没有独立的矿床，主要与铝、锌、锗等矿物伴生，比较难提取。要知道，2020年全球粗镓产量也不过是300吨，其中，中国的产量就高达290吨，占全球产量的96%以上，其它的粗镓产国连中国的零头都不到。

不止是产量，中国的金属镓储量同样是全球第一。根据美国地质调查局（USGS）公布的数据，目前全球金属镓的储量约为27.93万吨，而中国的储量最多，达到19万吨，占全球储量的68%左右 ；相比之下，美国的储量还不到中国的1/40，只有0.45万吨。可见，与稀土一样，金属镓也是我国手中的一张王牌。

那么，这种金属资源到底有什么用？首先，它是芯片制造的关键材料。提到半导体材料，各位可能会想到碳化硅，但或许不知道氮化镓，它们都是第三代半导体的关键材料。相比硅材料，氮化镓的禁带宽度、电子饱和迁移速度和击穿场强都更胜一筹，这些优点使其在射频器件和电力电子器件的制造上更有优势。

比如近年来大家广泛关注的5G技术，它所使用的高频无线电波脉冲芯片组，就是用氮化镓来制造的，并且这种材料耗电少、发热少，还能够在800摄氏度的高温下工作，相比碳化硅，成本也相对低一点。

其实，除了在半导体领域得到“重用”之外，金属镓以及它的一系列化合物已经广泛应用于新能源汽车、LED照明、太阳能电池以及雷达等众多领域 ，它的很多用途与当前的绿色能源和低碳经济息息相关。

这些年来，节能减排日益受到全球各国的关注，《巴黎协定》还致力于推动各国制定并落实减排任务。可以预想，未来全球对镓的消费需求会越来越大，这种资源在日后也会更“大有可为”。

正因为意识到它的重要性，而且自身储量不多，欧美、日本等国家早就对镓资源进行管控和储备，比如欧盟在2010年发布的14种矿产原料紧缺名单中，镓就位列其中；美国在2018年也将镓列入35种关键矿产清单中 。

然而，日本是全球镓第一大消费市场，美国则紧随其后，欧盟也是重要的镓消费市场，它们自己的镓资源没怎么开发，那么就需要依赖进口了，这其中很大一部分镓就进口自中国。

其实刚也提到，中国的粗镓产量已占到了全球的96%以上，有分析指出，可能也是由于中国的产量大，甚至出现产能过剩，抑制了其它国家的生产。过去几年，哈萨克斯坦、匈牙利、德国和乌克兰等国已先后停止了初级镓的生产，所以我们才会看到，全球粗镓产能几乎被中国垄断。

当然，欧美日等发达国家用到的镓资源并非100%从中国进口。随着镓回收利用技术的不断发展，如今，全球再生镓的产量已经不低了，2020年的产量便达到250吨，并且还呈现逐步上升的趋势，未来甚至不排除会超过粗镓的产量。

所以，欧美等发达国家也有一部分的镓供应来自这些再生镓，尤其是回收产业发展最好的日本，已经有一半的镓供应来自本国的回收产业，逐渐摆脱对中国的依赖。

这些年来，我国新能源汽车、光伏、LED照明等产业迅速发展，也带动了镓以及它的化合物等消费量迅速增长，但不完美的地方在于，我国半导体等产业的发展还落后于美日韩等发达国家，因此，我国的高端精镓产品（高端电子元件）也仍高度依赖进口，这从芯片成为我国第一大进口商品便可以窥探一二。

值得注意的是，近年来，为了解决芯片“卡脖子”等难题，我国已经开始大力发展芯片产业，并提出到2025年将芯片自给率提升到70%的目标。可以见得，接下来国产芯将加速崛起，未来我国的高精镓产品对外依赖也会逐渐降低。

另外，作为我国的一种优势矿种，与欧美国家一样，我国也早就对镓资源进行了相关的管控。比如2011年，我国便将镓列入战略储备金属，计划在适当的时候对它进行收储。随着镓资源重要性日益提升，相信我国还会对这种战略资源进行相关的保护。

文 | 梁锦源 题 | 曾艺 图 | 卢文祥 审 | 陆烁宜

地球上的稀有“高科技金属”它们以稀缺的资源可靠性能著称

你知道这些奇怪的生僻字吗：钌、铑、钯，锇。它们其实都是铂族金属。这些金属以其极为珍贵的性质和稀有的资源而闻名。广泛应用于航天、航空、航海、武器、医药、化工、环保等领域。它们被称为“第一高科技金属”和战略金属。它们的使用是一个国家工业水平、高新技术水平和经济发展水平的标志。

铂族金属——汽车尾气净化的高手

铂族金属由于其高的化学稳定性（不溶于除王水以外的任何酸或碱）和催化活性，可作为催化剂用于氢化、脱氢、异构化、环合、脱水、脱卤、氧化、裂化等化学反应，现在更多地用于汽车尾气中净化。汽车尾气排放已成为我国大中型城市的主要污染源之一。加强汽车尾气控制，改善大气环境质量刻不容缓。催化净化是控制汽车尾气排放的最有效手段之一。国外常用铂、钯、铑等贵金属作为汽车尾气催化转化器的主要原料。

尾气催化转化器是安装在汽车排气系统中的一种装置。它的作用是减少发动机燃烧后的有害废气。由于汽车尾气中含有一氧化碳、氮氧化物和碳氢化合物，这些物质会使空气质量恶化，特别是氮氧化物和碳氢化合物，在阳光照射后容易产生光化学烟雾，造成严重的空气污染，进而危及人的呼吸系统。

为了解决这一问题，汽车尾气催化转化器应运而生。1970年，尾气催化转化器开始应用于汽车。由于催化转化器含有铂、钯、铑等金属，当发动机排出的废气通过催化转化器时，铂催化剂会促进碳氢化合物和一氧化碳的氧化，生成水蒸气和二氧化碳，而铑催化剂将氮氧化物还原为氮和氧，从而降低废气中一氧化碳和碳氢化合物的排放浓度的目的是使汽车尾气满足排放的要求。

由于环保要求日益严格，汽车市场需求不断增加，铂族金属市场看涨。2019年，全球汽车尾气催化剂铂需求增长37%，至92.8吨。

钯——制造比钢铁还坚硬的玻璃

玻璃能比钢更坚固吗？这似乎是不可能的，但国外研究人员曾开发出一种“牢不可破”的新型耐损伤金属玻璃，这种玻璃比钢更坚固。它们的秘诀是在新型金属玻璃中加入一些微量钯元素，具有耐高温、耐腐蚀、耐磨、延伸性强等特点，从而抵消了玻璃材料不可避免的脆弱性。

这种新型金属玻璃由能源部劳伦斯国家实验室和加州理工大学的研究人员联合开发。它由五种元素组成：钯、磷、硅、锗和银。其中，磷、硅、锗和银被用来增强新玻璃的强度，而钯则可以增强玻璃的塑性，防止裂纹扩展。这种结合有效地克服了弱韧性材料和脆性硬度材料的缺陷，使新材料兼具强度和韧性（这种融合称为损耗容限）。这种玻璃受压时具有超塑性，能弯曲而不断裂，其容损性能已超过目前任何已知材料。

钌——在太阳能电池行业大显身手

美国科学家发现了一种稀有金属，它能吸收阳光，并以热的形式无限期地储存，必要时也能释放出来。这一发现为开发下一代太阳能装置铺平了道路，即能够利用太阳能并且可以无限期存储热量。

这种稀有金属含有铂族金属钌，被称为“二钌富瓦烯”。当太阳光被吸收时，二钌富瓦烯的分子会改变形状，并能无限期地储存热量。在一种催化剂的帮助下，它们可以回到原来的状态，同时释放储存的巨大热量。

目前，我们使用的太阳能装置大多能将太阳能转换成电能或热能，但不能储存暂时不用的能量。而使用二钌富瓦烯制成的燃料释放热量时，温度可以达到200摄氏度。这被称为“热化学方式”，比传统的太阳系更有效，后者使用绝缘材料来逐渐释放热量。

麻省理工学院的研究人员曾宣布，他们已经准确揭示了这种分子的工作原理。这将有助于科学家研发出存储和释放热能而不是电能的新型电池。从原理上讲，使用二钌富瓦烯制造的电池可按需存储和释放热能。二钌富瓦烯来自于钌，钌是一种稀有昂贵的白色硬质金属元素。世界上每年开采的钌只有12吨左右。

铱——自选新材料中不可或缺

根据阿贡高级光源实验室的研究，一种含铂族金属元素铱的氧化材料受铱原子核外电子相互作用的控制，表现出优异的性能。研究结果发表在《物理评论快报》上。这一新发现将为半导体纳米电子学和信息技术领域带来新的气象。

这项研究由阿贡APS国家实验室、肯塔基大学、橡树岭国家实验室和北伊利诺伊州立大学联合开展。研究人员认为，铱在5D层中的电子波与其相邻的电子波有很强的重叠性，并被“束缚”在一起。此外，铱离子周围有氧离子形成的强晶场，5D层电子与铱离子相互作用的角动量和自旋轨道几乎被消除。然而，究发现5D层电子具有较大的轨道角动量，约为其自旋角动量的3倍，从而在铱原子中形成了强自旋轨道耦合。

因为固体的性质是由其组成原子外层的价电子决定的，如相邻原子电子云重叠形成的晶体场。然而，当自旋轨道相互作用在固体中起重要作用时，它将显示出有趣的性质：例如，在含有稀土的永磁材料中，位于4f层中的电子引起的磁性将被材料中不同水平的相邻电子的相互作用所屏蔽。当它们的自旋轨道耦合时，自旋对称性被破坏，4fn的磁运动被固定在一个特定的晶格方向上，产生强烈的永磁效应。

研究人员表示，与砷化镓相比，弱绝缘性的三氧化钡铱自旋轨道相互作用更强，过渡金属氧化物的自旋轨道特性可能更适合制造自旋控制设备。

自旋晶体管作为下一代自旋电子器件，具有广阔的应用前景。自旋晶体管是一种输出电压取决于电子自旋方向的器件。不仅如此，自旋晶体管在信息技术领域也具有巨大的潜在应用价值。目前，计算机的动态随机存取存储器（DRAM）一般采用半导体工艺。断电后，DRAM中存储的数据将消失。当系统重新启动时，它需要从硬盘重新加载数据，这非常耗时。如果用自旋晶体管制作动态RAM，断电后可以保存数据，大大缩短了计算机的启动时间。

为了发展自旋晶体管，我们需要找到具有大量电子自旋轨道的新材料。由于自旋轨道的相互作用随原子数的增加而迅速增加，含重元素的材料成为这一领域的最佳候选材料。

铱也被用来制造触摸屏。如今，各种触摸屏的产物琳琅满目，而触屏显示器中就有铱氧化物的身影。

相关问答

。以青蒿为例，是经中国几代医师研制成功的疟疾特效药，最...

[回答]1、C2、B

pet原料为什么紧张?

2.养宠物的趋势:养宠物已经成为一种潮流和生活方式,许多人愿意花费更多的金钱和精力来照顾宠物。这使得宠物行业迅速发展,对原料的需求也随之增加。3.农业困...

请问太空中有什么可以利用的物质_作业帮

[回答]从人类目前的科学技术来看,太空中唯一能利用的资源只有月球上的矿石.月球的矿产资源极为丰富,地球上最常见的17种元素,在月球上比比皆是.以铁为例,...

芯片原材料为什么紧缺了?

晶圆短缺,是产能不足,最开始原材料是沙子晶圆短缺,是产能不足,最开始原材料是沙子

中国稀缺商品?

中国目前稀缺的物质主要以资源原料为主,稀缺物质能源都是我国比较稀缺的物质。全球正在步入资源为王的时代。就是以有色金属(包括黄金)、煤炭、森林等珍贵自然...

科技木皮的前景怎么样?-iPbQNamv4的回答-懂得

作为一种不可再生的自然资源,木材资源日益稀缺,木皮行业的发展较几十年前有了很大的发展,这样的发展也带来了市场需求的上升。与其他的木皮相比,科...

石墨是一种战略稀缺资源，初级石墨原料(含SiO2、Al2O3、Fe2O...

[最佳回答]根据图示可知工艺流程为:初级石墨原料的SiO2、Al2O3、Fe2O3和MgO与氯气在1500℃条件下反应生成气体ⅠCO、SiCl4及金属氯化物和纯石墨;将气体Ⅰ降低...

节约原材料管理暂行规定第十六条内容是些什么

各级原材料供应部门,要支持各地为集中下料和科学套裁所组建的横向联合体,优先向这些单位供应市场紧缺的原材料,使其在合理使用原材料及节材降耗中充...

人均耕地仅占全国平均的40%，铁、煤、油等大宗工业原材料...

[最佳回答](1)①充分发挥市场在资源配置中的基础性作用,通过价格、供求和竞争,促进资源的优化配置和有效利用。(4分)②实行强有力的宏观调控,制定适应经济发展...

为什么新能源车就不缺芯片?

一场波及全球汽车企业的芯片短缺危机,如今持续已有半年多。对此,有行业高管和经济学家们认为,笼罩全球的芯片短缺可能会持续到2022年。在市场需求端方面,据...