ガリウムは化学元素であり、記号 Ga、原子番号31で表されます。1875年、フランスの化学者ポール＝エミール・ルコック・ド・ボワボードランによってフランスのパリで発見されました[13] 。ガリウム単体は、常温常圧下 では銀白色の柔らかい金属です。液体の状態では銀白色になります。十分な力が加わると、固体ガリウムは貝殻状に割れることがあります。1875年の発見以来、ガリウムは低融点合金の製造に広く利用されてきました。また、半導体基板のドーパントとして半導体にも使用されています。

ガリウムの融点は29.7646℃（85.5763℉、302.9146 K）で、温度の基準点として用いられています。ガリウム合金は、水銀に代わる無毒で環境に優しい代替品として温度計に使用されており、水銀よりも高い温度に耐えることができます。ガリウム合金（重量比でガリウム62～95%、インジウム5～22% 、スズ0～16% ）の融点は水の凝固点よりはるかに低い-19℃（-2℉）とされていますが、これは過冷却の影響を受けた凝固点である可能性があります。

ガリウムは自然界では単体元素として存在せず、亜鉛鉱石（閃亜鉛鉱など）やボーキサイト中に微量のガリウム(III)化合物として存在します。元素ガリウムは29.76℃（85.57℉）以上の温度では液体であり、通常の体温である37.0℃（98.6℉）では人の手の中で溶けます。

ガリウムは主に電子機器に使用されています。電子機器におけるガリウムの主要化合物であるガリウムヒ素は、マイクロ波回路、高速スイッチング回路、赤外線回路に使用されています。半導体である窒化ガリウムと窒化インジウムガリウムは、青色および紫色の発光ダイオードやダイオードレーザーを製造します。ガリウムは、宝飾品用の人工ガドリニウムガリウムガーネットの製造にも使用されています。ガリウムは、生物学における天然の役割は知られていません。ガリウム(III)は、生物系において鉄( III)塩と同様の挙動を示し、医薬品や放射性医薬品を含むいくつかの医療用途に使用されています。

物理的特性

溶融ガリウムの結晶化

元素ガリウムは自然界には存在しませんが、製錬によって容易に得られます。非常に純粋なガリウムは銀青色の金属で、ガラスのように貝殻状に割れます。ガリウムは液体から固体に変化すると体積が3.10%膨張するため、状態変化時に破裂する可能性のある容器に保管する場合は注意が必要です。ガリウムは、水、シリコン、ゲルマニウム、ビスマス、プルトニウムなど、他の物質と同様に、高密度の液体状態にあります。[14] : 222 

86 °F (30 °C) の液体ガリウム

ガリウムはほとんどの金属と合金を形成します。アルミニウム、アルミニウム-亜鉛合金[15]、鋼[16]などの一部の金属では、ガリウムは亀裂や粒界に容易に拡散し、液体金属脆化と呼ばれる強度と延性の極端な低下を引き起こします。

ガリウムの融点は302.9146 K（29.7646 °C、85.5763 °F）で、室温よりわずかに高く、地球の中緯度地域における夏の日中の平均気温とほぼ同じです。この融点（mp）は、国際度量衡局（BIPM）が制定した1990年国際温度目盛り（ITS-90）における正式な温度基準点の一つです。[17] [18] [19]ガリウムの三重点である302.9166 K（29.7666 °C、85.5799 °F）は、米国国立標準技術研究所（NIST）が融点の代わりに使用しています。[20]

ガリウムの融点は、人の手の中で溶けるほど高く、手を離すと固まる。この液体金属は、融点/凝固点以下では過冷却する傾向が強い。Gaナノ粒子は、90K以下で液体状態を保つことができる。 [21]結晶を播くと、凍結を開始しやすくなる。ガリウムは、常温または室温付近で液体であることが知られている4種類の非放射性金属（セシウム、ルビジウム、水銀）の1つである。4種類の中で、ガリウムは反応性が高くなく（ルビジウムやセシウムのように）、毒性が高くなく（水銀のように）、そのためガラス内金属の高温温度計に使用できる唯一の金属である。また、ガリウムは金属の中で最も液体の範囲が広く、水銀とは異なり、高温での蒸気圧が低いことでも注目されている。ガリウムの沸点は 2676 K で、絶対的な基準で融点の約 9 倍であり、あらゆる元素の中で融点と沸点の比率が最も大きい。[14] : 224 水銀と異なり、液体のガリウム金属はガラスや皮膚、その他ほとんどの材料（石英、グラファイト、酸化ガリウム(III) [22]およびPTFE を除く）を濡らすため、[14] : 221 水銀よりも毒性が大幅に低く、必要な予防措置もはるかに少ないにもかかわらず、機械的に取り扱うことがより困難になる。ガラスに塗布されたガリウムは光り輝く鏡となる。[14] : 221 この理由と金属汚染および凍結膨張の問題のため、ガリウム金属のサンプルは通常、他の容器内のポリエチレン パケットで提供される。

ガリウムは、いかなる単純な結晶構造にも結晶化しません。通常の条件下での安定相は、従来の単位胞に8個の原子を含む斜方晶系です。単位胞内では、各原子は最も近い隣接原子（距離244  pm）のみを持ちます。残りの6個の隣接原子は、それぞれ27、30、39 pm離れており、同じ距離でペアをなして配置されています。[23]温度と圧力の関数として、多くの安定相と準安定相が存在します。 [24]

最も近接する2つの原子間の結合は共有結合であるため、Ga 2 二量体は結晶の基本的な構成要素とみなされます。これは、隣接する元素であるアルミニウムやインジウムに比べて融点が低い理由を説明しています。この構造はヨウ素の構造と非常に類似しており、ガリウム原子の4s電子よりも原子核から離れた単一の4p電子と[Ar]3d 10核との相互作用によって形成されると考えられます。この現象は、室温で液体である「擬似希ガス」[Xe]4f 14 5d 10 6s 2電子配置を持つ水銀でも見られます。 [14] : 223  3d 10電子は外殻電子を原子核から十分に遮蔽しないため、ガリウムの第一イオン化エネルギーはアルミニウムよりも大きくなります。[14] : 222  Ga 2二量体は液体状態では持続せず、液体ガリウムは、各ガリウム原子が他の10個の原子に囲まれた複雑な低配位構造を示す。これは、ほとんどの液体金属に典型的な11～12個の隣接原子に囲まれているのとは対照的である。[25] [26]

ガリウムの物理的性質は高度に異方性があり、3つの主要な結晶軸（a、b、c）に沿って異なる値を持ちます（表参照）。そのため、線膨張係数（α）と体積膨張係数の間に大きな差が生じます。ガリウムの特性は温度に強く依存し、特に融点付近では顕著です。例えば、融解すると熱膨張係数は数百パーセント増加します。[27]

同位体

ガリウムには質量数が60から89までの30種の同位体が知られている。安定して天然に存在する同位体はガリウム69とガリウム71の2種のみである。ガリウム69は天然ガリウムの約60.1%を占め、ガリウム71は残りの39.9%を占める。他の同位体はすべて放射性であり、ガリウム67が最も長寿命である（半減期3.2617日）。ガリウム69より軽い同位体は通常、ベータプラス崩壊（陽電子放出）または電子捕獲によって亜鉛同位体に崩壊する。一方、ガリウム71より重い同位体はベータマイナス崩壊（電子放出）によって、場合によっては遅延中性子放出を伴ってゲルマニウム同位体に崩壊する。ガリウム70は亜鉛70またはゲルマニウム70の両方に崩壊する可能性がある。[28]

ガリウム 67 とガリウム 68 (半減期 67.84 分) はどちらも核医学の画像診断に使用されます(ガリウムスキャンを参照)。

化学的性質

ガリウムは主に+3の酸化状態で存在する。+1の酸化状態も一部の化合物に存在するが、ガリウムのより重い同族元素であるインジウムやタリウムほど一般的ではない。例えば、非常に安定したGaCl 2はガリウム(I)とガリウム(III)の両方を含み、Ga I Ga III Cl 4と表記される。対照的に、この一塩化物は0℃以上では不安定で、元素ガリウムと塩化ガリウム(III)に不均化してしまう。Ga–Ga結合を含む化合物は真のガリウム(II)化合物であり、例えばGaS （Ga 2 4+ (S 2− ) 2と表記される）やジオキサン錯体Ga 2 Cl 4 (C 4 H 8 O 2 ) 2などである。[14] : 240 

水性化学

強酸はガリウムを溶解し、Ga(NO
3）
3（硝酸ガリウム）。ガリウム(III)塩の水溶液は、水和ガリウムイオン[Ga(H
2O)
6]3歳以上
. [29] : 1033  水酸化ガリウム(III)、Ga(OH)
3は、アンモニアを加えることでガリウム(III)溶液から沈殿させることができる。脱水Ga(OH)
3100℃で酸化水酸化ガリウムGaO(OH)が生成される。[30] : 140–141 

アルカリ水酸化物溶液はガリウムを溶解し、ガリウム(OH)を含む没食子酸塩（同じ名前の没食子酸塩と混同しないでください）を形成します。−
4陰イオンである。[31] [29] : 1033  [32]両性イオンである水酸化ガリウムもアルカリに溶解して没食子酸塩を形成する。[30] : 141 以前の研究では、Ga(OH)3−6
​別の可能性のある没食子酸アニオンとして[33] 、その後の研究では発見されなかった。[32]

酸化物とカルコゲニド

ガリウムは比較的高温でのみカルコゲンと反応します。室温では、ガリウム金属は不活性な保護酸化物層を形成するため、空気や水とは反応しません。しかし、高温になると、大気中の酸素と反応して酸化ガリウム(III)（ Ga ）を形成します。
2お
3[ 31] Gaの減少
2お
3真空中で500℃～700℃で元素ガリウムと反応させると、暗褐色の酸化ガリウム(I)、Gaが得られる。
2お。[30] :  285Ga
2Oは非常に強力な還元剤であり、Hを還元することができる。
2それで
4Hへ
2S . [30] : 207  800℃で不均化してガリウムとGaに戻る
2お
3。[34]

硫化ガリウム(III)、Ga
2S
3、3つの結晶変態が可能である。[34] ：104 ガリウムと硫化水素（H
2S ) を950℃で加熱すると、 Ga (  OH)
3747℃で使用可能: [35]

2 Ga(OH)
3+ 3時間
2さ→が
2S
3+ 6時間
2お

アルカリ金属炭酸塩とGaの混合物を反応させる
2お
3Hと
2Sは[ Ga​
2S
4]2−
陰イオン。強酸はこれらの塩を分解し、H
2Sは、その過程で生成される。[34] : 104–105 水銀塩、HgGa
2S
4は蛍光体として使用できる。[36]

ガリウムは、硫化ガリウム(II)や緑色の硫化ガリウム(I)などの低酸化状態の硫化物も形成します。後者は、前者を窒素気流下で1000℃に加熱することで生成されます。[34] : 94 

他の二元カルコゲニド、Ga
2セ
3とガ
2テ
3は閃亜鉛鉱型構造を持つ。これらはすべて半導体であるが、加水分解されやすく、用途が限られている。[34] : 104 

窒化物とニクタイド

窒化ガリウム（左）とガリウムヒ素（右）のウェハ

ガリウムは1050℃でアンモニアと反応して窒化ガリウム（GaN）を形成する。ガリウムはまた、リン、ヒ素、アンチモンと二元化合物、すなわちリン化ガリウム（GaP）、ヒ化ガリウム（GaAs）、アンチモン化ガリウム（GaSb）を形成する。これらの化合物はZnSと同じ構造を持ち、重要な半導体特性を有する。[29] : 1034  GaP、GaAs、GaSbは、ガリウムとリン、ヒ素、またはアンチモン元素との直接反応によって合成することができる。[34] : 99 これらはGaNよりも高い電気伝導性を示す。[34] : 101  GaPは、 Gaと反応させることによっても合成できる。
2低温でリンと反応するO。[37]

ガリウムは三元窒化物を形成する。例えば：[34] : 99 

李
3ガ+ N
2→李
3窒化ガリウム
2

リンやヒ素を含む類似の化合物も考えられます: Li
3ギャップ
2そして李
3ガリウムヒ素
2これらの化合物は希酸と水によって容易に加水分解される。 [34] : 101 

ハロゲン化物

酸化ガリウム(III)はHFやFなどのフッ素化剤と反応する。
2フッ化ガリウム(III)、GaFを形成する
3これは水に非常に溶けにくいイオン性化合物です。しかし、フッ化水素酸には溶解し、水と付加物を形成します。
3·3時間
2O . この付加物を脱水するとGaFが形成される
2OH · nH
2O . 付加物はアンモニアと反応してGaFを形成する
3·3NH
3これを加熱すると無水GaFが形成される。
3[ 30] : 128–129 

三塩化ガリウムは、ガリウム金属と塩素ガスとの反応によって生成される。[31]三フッ化物とは異なり、塩化ガリウム(III)は二量体分子として存在し、Ga
2塩素
6融点は78℃である。臭素とヨウ素から等価の化合物が形成される。
2Br
6とガ
2私
6. [30] : 133 

他の第13族三ハロゲン化物と同様に、ガリウム(III)ハロゲン化物はルイス酸であり、ハロゲン化物受容体としてアルカリ金属ハロゲン化物と反応してGaXを含む塩を形成する。−
4アニオン（Xはハロゲン）である。また、アルキルハライドと反応してカルボカチオンやGaXを形成する。−
4[ 30] : 136–137 

高温に加熱すると、ガリウム(III)ハロゲン化物は元素ガリウムと反応して、対応するガリウム(I)ハロゲン化物を形成する。例えば、GaCl
3Gaと反応してGaClを形成する：

2 Ga + GaCl
3⇌ 3 GaCl (g)

低温では平衡は左にシフトし、GaClは元素ガリウムとGaClに不均化します。
3GaClはGaとHClを950℃で反応させることによっても生成でき、生成物は赤色の固体として凝縮される。[29] : 1036 

ガリウム(I)化合物はルイス酸との付加物を形成することで安定化される。例えば：

GaCl + AlCl
3→ガ+
[塩化アルミニウム
4]−

いわゆる「ガリウム(II)ハロゲン化物」、GaX
2は、実際にはガリウム(I)ハロゲン化物とそれぞれのガリウム(III)ハロゲン化物の付加物であり、構造はGa+
[GaX
4]−
例えば: [31] [29] : 1036  [38]

GaCl + GaCl
3→ガ+
[GaCl
4]−

水素化物

アルミニウムと同様に、ガリウムも水素化物GaHを形成する。
3ガランとして知られるこの化合物は、リチウムガリウムヒドリド（LiGaH
4）を−30℃で塩化ガリウム(III)と反応させた場合： [29] : 1031 

3 LiGaH
4+塩化ガリウム
3→ 3 LiCl + 4 GaH
3

ジメチルエーテルを溶媒として用いると、 GaH
3重合して（GaH
3）
n溶媒を使用しない場合、二量体Ga
2H
6（ジガラン）は気体として生成される。その構造はジボランに似ており、2つのガリウム中心を2つの水素原子が架橋している。[29] : 1031  α- AlHとは異なり、
3アルミニウムの配位数は6である。[29] : 1008 

ガランは-10℃以上では不安定で、元素ガリウムと水素に分解する。[39]

有機ガリウム化合物

有機ガリウム化合物は有機インジウム化合物と同等の反応性を有し、有機アルミニウム化合物よりは反応性が低いが、有機タリウム化合物よりは反応性が高い。[14] : 262–5 アルキルガリウムは単量体である。ルイス酸性はAl > Ga > Inの順に低下するため、有機ガリウム化合物は有機アルミニウム化合物のように架橋二量体を形成しない。また、有機ガリウム化合物は有機アルミニウム化合物よりも反応性が低い。ただし、安定な過酸化物を形成する。[40]これらのアルキルガリウムは室温で液体であり、融点が低く、非常に流動性が高く、可燃性である。トリフェニルガリウムは溶液中では単量体であるが、その結晶は弱い分子間Ga···C相互作用により鎖構造を形成する。[14] : 262–5 

三塩化ガリウムは、カルボガリウム化反応などの有機ガリウム化合物の形成のための一般的な開始試薬である。 [41]三塩化ガリウムはジエチルエーテル中でリチウムシクロペンタジエニドと反応して、三方平面状のガリウムシクロペンタジエニル錯体 GaCp 3を形成する。ガリウム(I) は、ヘキサメチルベンゼンなどのアレーン配位子と錯体を形成する。この配位子は非常にかさ高いため、[Ga(η 6 -C 6 Me 6 )] +の構造は半サンドイッチ型となる。メシチレンなどのかさ高くない配位子を使用すると、2 つの配位子を中央のガリウム原子に結合させて、曲がったサンドイッチ構造を形成する。ベンゼンはさらにかさ高くなく、二量体を形成する。一例として、[Ga(η 6 -C 6 H 6 ) 2 ] [GaCl 4 ]·3C 6 H 6がある。[14] : 262–5 

歴史

小さなガリウム液滴が融合する

1871年、ロシアの化学者ドミトリ・メンデレーエフはガリウムの存在を初めて予言し、周期表における位置から「エカアルミニウム」と名付けました。彼はまた、エカアルミニウムの密度、融点、酸化物の性質、塩化物との結合など、ガリウムの実際の特性と密接に一致するいくつかの特性を予言しました。[42]

メンデレーエフはさらに、分光計によってエカアルミニウムが発見されること、金属エカアルミニウムは酸とアルカリの両方にゆっくりと溶解し、空気とは反応しないことを予言した。また、M 2 O 3は酸に溶解してMX 3塩を生成すること、エカアルミニウム塩は塩基性塩を形成すること、エカ硫酸アルミニウムはミョウバンを形成すること、無水MCl 3はZnCl 2よりも揮発性が高いことを予言した。これらの予言はすべて後に正しかったことが証明された。[14] : 217 

ガリウムは、1875年にフランスの化学者ポール・エミール・ルコック・ド・ボワボードランによって分光法を用いて閃亜鉛鉱のサンプル中の特性スペクトル（2本の紫色の線）から発見されました。[43]その年の後半、ルコックは水酸化カリウム溶液中の水酸化物を電気分解 して遊離金属を得ました。[44]

彼はこの元素を「ガリア」と名付けました。これはラテン語 の「ガリア」（ Gallia、彼の故郷フランスの地名）に由来しています。後に、19世紀の科学者たちが好んだ多言語の語呂合わせで、ガリウムも自分の名にちなんで名付けたのではないかという説が出ました。ルコックはフランス語で「雄鶏」を意味し、ラテン語では「雄鶏」は「gallus 」です。1877年の論文で、ルコックはこの仮説を否定しました。[44]

当初、ボワボードランはガリウムの密度を4.7 g/cm 3と決定したが、これはメンデレーエフの予測と一致しなかった唯一の特性であった。その後、メンデレーエフは彼に手紙を書いて密度を再測定するよう提案し、ボワボードランはメンデレーエフが正確に予測した5.9 g/cm 3という正しい値を得た。[14] : 217 

1875 年の発見から半導体の時代まで、ガリウムの主な用途は、高温温度測定と、異常な安定性や溶解のしやすさ (室温で液体になるものなど) を備えた金属合金でした。

1960年代に直接バンドギャップ半導体としてのガリウムヒ素の開発は、ガリウムの応用における最も重要な段階の到来を告げた。[14] : 221  1960年代後半には、エレクトロニクス産業は発光ダイオード、太陽光発電、半導体の製造にガリウムを商業規模で使い始め、金属産業は合金の融点を下げるためにガリウムを使用した[45]。[46]

最初の青色窒化ガリウムLEDは1971年から1973年に開発されましたが、性能は低かったです。[47] 1990年代初頭になってようやく、中村修二氏はGaNとインジウムガリウム窒化物を組み合わせて現代の青色LEDを開発しました。これは現在では広く普及している白色LEDの基礎となっており、日亜化学工業は1993年にこれを商品化しました。彼と他の2人の日本人科学者はこの研究により2014年にノーベル物理学賞を受賞しました。[48] [49]

世界のガリウム生産量は1970年代の年間数十トンから2010年頃まで緩やかに増加し、100トンを超え、その後急速に増加し[50] 、 2024年には約450トンに達すると予想されています[51]。

発生

ガリウムは地殻中に自由元素として存在せず、ガライト（CuGaS 2）などの含有量の多い鉱物も少数存在しますが、主要な供給源となるには希少すぎます。[52]地殻中の含有量はおよそ 16.9  ppmです。地殻で 34 番目に多い元素です。[53]これは、鉛、コバルト、ニオブの地殻中存在比に匹敵します。しかし、これらの元素とは異なり、ガリウムは鉱石中に 0.1 wt.% を超える濃度で単独で鉱床を形成することはありません。むしろ、亜鉛鉱石中に地殻の値と同程度の微量濃度で存在し、[52] [54]やアルミニウム鉱石中にはいくらか高い値（約 50 ppm）で存在し、どちらも副産物として抽出されます。独立した鉱床が存在しない理由は、ガリウムの地球化学的挙動によるもので、ほとんどの鉱床の形成過程において強い濃縮が見られないからです。[52]

米国地質調査所（USGS）は、ボーキサイト鉱石と亜鉛鉱石の既知埋蔵量に100万トン以上のガリウムが含まれていると推定しています。[55] [56]石炭の煙道 塵の中には少量のガリウムが含まれており、通常は重量比で1%未満です。[57] [58] [59] [60]しかし、これらの量は母物質の採掘なしには抽出できません（下記参照）。したがって、ガリウムの入手可能性は、基本的にボーキサイト、亜鉛鉱石、そして石炭の採掘速度によって決まります。

生産と供給

99.9999% (6N) ガリウムを真空アンプルに封入

ガリウムは、他の金属鉱石の加工過程で副産物としてのみ生産されます。主な原料はアルミニウムの主鉱石であるボーキサイトですが、硫化亜鉛鉱石（主母鉱石は閃亜鉛鉱）からも少量抽出されます。 [61] [54] かつては、特定の石炭が重要な供給源でした。

バイエル法においてボーキサイトをアルミナに加工する過程で、ガリウムは水酸化ナトリウム溶液中に蓄積されます。この溶液からガリウムを抽出するには様々な方法があります。最新の方法としては、イオン交換樹脂を用いる方法があります。[61]達成可能な抽出効率は、原料ボーキサイト中のガリウム濃度に大きく依存します。典型的な原料濃度50 ppmでは、含まれるガリウムの約15%が抽出可能です。[61]残りは赤泥と水酸化アルミニウムの流れに流れ込みます。ガリウムはイオン交換樹脂から溶液中で除去されます。その後、電気分解によって金属ガリウムが得られます。半導体用途では、ゾーン溶融法または溶融物からの単結晶抽出（チョクラルスキー法）によってさらに精製されます。99.9999%の純度が日常的に達成されており、市販されています。[62]

ジャマイカのボーキサイト鉱山（1984年）

ガリウムは副産物であるため、生産量はボーキサイト、硫化亜鉛鉱石（および石炭）の年間採掘量によって制約される。したがって、その入手可能性は供給ポテンシャルの観点から議論する必要がある。副産物の供給ポテンシャルは、現在の市場条件（技術と価格）下で、主原料から年間経済的に抽出可能な量と定義される。[63]副産物は主産物から独立して抽出できないため、埋蔵量や資源量は副産物には関係ない。 [64]最近の推計では、ガリウムの供給ポテンシャルはボーキサイトから最低2,100 t/年、硫化亜鉛鉱石から85 t/年、石炭から潜在的に590 t/年とされている。[61]これらの数値は現在の生産量（2016年の375 t）を大幅に上回っている。[65]したがって、将来的には、生産コストや価格を大幅に上昇させることなく、ガリウムの副産物生産を大幅に増加させることが可能である。低品位ガリウムの平均価格は2016年には1キログラムあたり120ドル、2017年には1キログラムあたり135～140ドルでした。[66]

2017年の世界における低品位ガリウムの生産量は約 315トンで、2016年より15%減少した。中国、日本、韓国、ロシア、ウクライナが主要な生産国であり、ドイツは2016年にガリウムの一次生産を停止した。高純度ガリウムの収量は約180トンで、主に中国、日本、スロバキア、英国、米国から産出された。2017年の世界における年間生産能力は、低品位ガリウムが730トン、精製ガリウムが320トンと推定された。[66]

中国は2016年に約 250トン、2017年に約 300トンの低品位ガリウムを生産した。また、世界のLED生産量の半分以上を占めた。[66] 2023年7月時点で、中国は生産量の80％ [67] ～95％を占めている。 [68] 2023年8月時点で、中国は世界のガリウムの80％とゲルマニウムの60％を生産した（出典：クリティカル原材料アライアンス（CRMA））。中国は両方の材料の輸出を制限し始めた。これらは半導体産業の鍵であり、中国と米国の間には「チップ戦争」が起こっている。[69] 2025年、リオティントとインジウムコーポレーションは北米で最初の一次ガリウムを採掘するために提携した。[70] 2025年7月、米国のシンクタンクである戦略国際問題研究所（ CSIS ）は、「中国は米国との経済・技術競争が激化する中で、重要鉱物に対する支配力をますます強化している。防衛産業のサプライチェーンや新エネルギー技術にとって極めて重要な重要鉱物であるガリウムは、中国の戦略の最前線に位置している」と述べている。[71] 2024年には、中国は世界の低純度ガリウムの98%を生産した（出典：米国地質調査所（USGS））。[71]

アプリケーション

ガリウムの商業需要の大部分は半導体用途で占められており、全体の98%を占めています。次に大きな用途はガドリニウム・ガリウム・ガーネットです。[72] 2022年時点で、世界全体の使用量の44%は照明器具、36%は集積回路に、そして太陽光発電と磁石にはそれぞれ約7%が使用されています。[73]

半導体

ガリウムベースの青色LED

極めて高純度（99.9999%超）のガリウムは、半導体産業向けに市販されています。電子部品に使用されるガリウムヒ素（GaAs）と窒化ガリウム（GaN）は、2007年の米国におけるガリウム消費量の約98%を占めました。米国では、半導体用ガリウムの約66%が集積回路（主にガリウムヒ素）に使用されており、超高速ロジックチップや携帯電話の低雑音マイクロ波前置増幅器用MESFETの製造などに利用されています。このガリウムの約20%はオプトエレクトロニクスに使用されています。[55]

世界全体では、ガリウムヒ素がガリウムの年間消費量の95%を占めています。[62] 2016年には75億ドルに達し、そのうち53%は携帯電話、27%は無線通信、残りは自動車、民生、光ファイバー、軍事用途で使用されています。近年のガリウムヒ素消費量の増加は、主に3Gおよび4G スマートフォンの登場によるもので、これらのスマートフォンでは旧モデルの10倍ものガリウムヒ素が使用されています。[66]

ガリウムヒ素と窒化ガリウムは、様々な光電子デバイスにも利用されており、その市場シェアは2015年には153億ドル、2016年には185億ドルでした。[66] アルミニウムガリウムヒ素（AlGaAs）は、高出力赤外線レーザーダイオードに使用されています。窒化ガリウムと窒化インジウムガリウムの半導体は、青色および紫色の光電子デバイス、主にレーザーダイオードと発光ダイオードに使用されています。例えば、窒化ガリウム405 nmダイオードレーザーは、高密度ブルーレイディスクコンパクトデータディスクドライブの紫色光源として使用されています。[74]

窒化ガリウムの他の主要な用途としては、ケーブルテレビ伝送、商用無線インフラ、パワーエレクトロニクス、衛星などが挙げられます。GaN無線周波数デバイス市場だけでも、2016年には3億7,000万ドル、2017年には4億2,000万ドルと推定されています。[66]

衛星電力用に開発された多接合型太陽電池は、ガリウムヒ素、インジウムガリウムリン、またはインジウムガリウムヒ素の薄膜を分子線エピタキシー法または有機金属気相エピタキシー法で製造される。火星探査ローバーやいくつかの衛星では、ゲルマニウムセル上に三接合型ガリウムヒ素が使用されている。[75]ガリウムは、結晶シリコンのコスト効率の高い代替品として太陽電池パネルに使用される光起電性化合物（銅、インジウム、ガリウム、セレン、硫化物Cu(In,Ga)(Se,S) 2など）の成分でもある。[76]

ガリンスタンおよびその他の合金

ガリンスタンは普通のガラス片を簡単に濡らす
ガリウムとその合金は融点が低いため、3D プリントや積層造形法を使用してさまざまな 3D 形状に成形できます。

ガリウムはほとんどの金属と容易に合金化し、低融点合金の原料として使用されます。ガリウム、インジウム、スズのほぼ共晶合金は常温で液体であり、医療用体温計に使用されています。この合金は商標名ガリンスタン（「-stan」はラテン語でスズ（stannum ）を意味します）で販売されており、融点は-19℃（-2.2℉）と低いです。[77]この合金ファミリーは、水の代わりにコンピューターチップを冷却するためにも、また高性能コンピューティングにおける放熱グリスの代替品としても使用できます。 [78] [79]ガリウム合金は、水銀歯科用アマルガムの代替品として評価されていますが、まだ広く受け入れられていません。ガリウムとインジウムを主成分とする液体合金は、ガス状のCO2を固体炭素に沈殿させることが分かっており、炭素回収、さらには炭素除去の潜在的な方法として研究されています。[80] [81]

ガリウムはガラスや磁器を濡らす性質があるため、明るい鏡を作るのに使用できます。ガリウム合金の濡れ性が望ましくない場合（ガリンスタンガラス温度計など）、ガラスは透明な酸化ガリウム(III)層で保護する必要があります。[82]

ガリウムベースの液体金属は、その高い表面張力と変形能により、[83]表面張力を制御することでアクチュエータを作成するために使用することができます。 [84] [85] [86]研究者は、液体金属アクチュエータをロボットの駆動における人工筋肉として使用する可能性を実証しました。[87] [88]

核兵器ピットに使われるプルトニウムはδ相で安定化されており、ガリウムとの合金化によって機械加工が可能になる。[89] [90]

バイオメディカルアプリケーション

ガリウムは生物学において自然な機能を持たないが、ガリウムイオンは鉄(III)と同様に体内のプロセスと相互作用する。これらのプロセスには多くの病状のマーカーである炎症が含まれるため、いくつかのガリウム塩が医療において医薬品や放射性医薬品として使用されている（または開発中である） 。ガリウムの抗癌特性への関心は、腫瘍を有する動物に注入されたクエン酸67Ga (III)が腫瘍部位に局在することが発見されたときに高まった。臨床試験では、硝酸ガリウムが非ホジキンリンパ腫および尿路上皮癌に対して抗腫瘍活性を持つことが示されている。トリス(8-キノリノラト)ガリウム(III) (KP46)やガリウムマルトレートなどの新世代のガリウム配位子錯体が登場している。[91] 硝酸ガリウム（商品名：ガナイト）は、骨への腫瘍転移に伴う高カルシウム血症の治療に静脈内投与する薬剤として使用されている。ガリウムは破骨細胞の機能を阻害すると考えられており、他の治療法が奏効しなかった場合にこの治療法が効果的である可能性がある。[92]経口投与可能な吸収性の高いガリウム(III)イオンであるガリウムマルトースは、病的に増殖する細胞、特に癌細胞や、鉄( III )の代わりにこれを受け入れる一部の細菌に対する抗増殖作用を有する。研究者らは、この化合物を、多くの癌、感染症、炎症性疾患の潜在的な治療薬として臨床試験および前臨床試験を実施している。[93]

ガリウムイオンが緑膿菌などの細菌に鉄(III)の代わりに誤って取り込まれると、イオンは呼吸を阻害し、細菌は死滅します。これは、鉄が酸化還元活性を持ち、呼吸中に電子を授受するのに対し、ガリウムは酸化還元不活性であるためです。[94] [95]

アミン-フェノールGa(III)錯体MR045は、マラリア治療薬として広く使用されているクロロキンに耐性を持つ寄生虫に対して選択的に毒性を示す。Ga ( III )錯体とクロロキンは共に、寄生虫が血液を消化して生成するヘモゾインの結晶化を阻害する作用を持つ。 [96] [97]

放射性ガリウム塩

クエン酸ガリウムや硝酸ガリウムなどのガリウム67塩は、ガリウムスキャンと呼ばれる核医学画像診断において放射性医薬品として用いられます。放射性同位元素67Gaが用いられ、ガリウムの化合物または塩は重要ではありません。体内ではGa 3+ がFe 3+のように様々な方法で処理され、感染などの炎症部位や細胞分裂が活発な部位に結合（濃縮）されます。そのため、核医学スキャン技術によってこれらの部位を画像化することが可能になります。[98]

半減期が68分の陽電子放出体であるガリウム68は、神経内分泌腫瘍の検査に使用されるソマトスタチン類似体のDOTATOCや、神経内分泌転移や肺神経内分泌癌（特定の種類の小細胞腫など）に使用される新しいDOTA-TATEなどの医薬品と結合して、PET-CTの診断用放射性核種として現在使用されています。ガリウム68の医薬品としての調製は化学的であり、放射性核種はガリウム68ジェネレーター内でゲルマニウムの合成放射性同位体であるゲルマニウム68から溶出することによって抽出されます。[99]

その他の用途

ニュートリノ検出: ガリウムはニュートリノ検出に使用されます。純粋なガリウムが単一の場所で収集されたことのある最大の量は、おそらく、ロシアのバクサン ニュートリノ観測所のSAGE 実験で使用されたガリウム-ゲルマニウム ニュートリノ望遠鏡です。この検出器には、55～57 トン (約 9 立方メートル) の液体ガリウムが含まれています。[100]もう 1 つの実験は、1990 年代初頭にイタリアの山岳トンネルで運用されたGALLEXニュートリノ検出器です。この検出器には、水で希釈された 12.2 トンのガリウム 71 が含まれていました。太陽ニュートリノにより、いくつかの71 Ga 原子が放射性の71 Geになり、それが検出されました。この実験により、太陽ニュートリノ フラックスは理論予測よりも 40% 少ないことが示されました。この不足 (太陽ニュートリノ問題) は、より優れた太陽ニュートリノ検出器と理論が構築されるまで説明されませんでした ( SNO を参照)。[101]

イオン源：ガリウムは、集束イオンビームの液体金属イオン源としても用いられます。例えば、集束ガリウムイオンビームは、世界最小の本「Teeny Ted from Turnip Town」の作成に使用されました。[102]

潤滑剤：ガリウムはスキーやその他の低摩擦表面材料の滑走ワックスの添加剤として使用されます。 [103]

フレキシブルエレクトロニクス：材料科学者は、ガリウムの特性がフレキシブルでウェアラブルなデバイスの開発に適しているのではないかと推測している。[104] [105]

水素発生：ガリウムはアルミニウムの保護酸化物層を破壊し、水がAlGa中のアルミニウムと反応して水素ガスを生成します。[106]

ユーモア：化学者の間ではよく知られた悪ふざけに、ガリウムのスプーンを作り、何も知らない客にお茶を出すというものがあります。ガリウムは、より軽い同族元素であるアルミニウムと見た目が似ているからです。するとスプーンは熱いお茶の中で溶けてしまいます。[107]

海中のガリウム

微量元素検査の進歩により、科学者は大西洋と太平洋に微量の溶存ガリウムを発見することができました。[108]近年、ボーフォート海で溶存ガリウム濃度が報告されています。[108] [109]これらの報告は、太平洋と大西洋の海水のプロファイルを反映しています。[109]太平洋では、典型的な溶存ガリウム濃度は、水深150m未満で4～6pmol/kgです。比較すると、大西洋では水深350m超で25～28pmol/kgです。[109]

ガリウムは主に風成によって海洋に流入しているが、海洋にガリウムが存在することは、海洋におけるアルミニウムの分布を解明する上で役立つ可能性がある。[110]その理由は、ガリウムは地球化学的にアルミニウムに類似しているが、反応性が低いためである。また、ガリウムはアルミニウムよりも表層水中の滞留時間がわずかに長い。[110 ]ガリウムの溶存プロファイルはアルミニウムと類似しているため、アルミニウムのトレーサーとして利用できる。[110]ガリウムは鉄の風成流入のトレーサーとしても利用できる。[111]ガリウムは北西太平洋、南大西洋、中央大西洋において鉄のトレーサーとして利用されている。[111]例えば、北西太平洋の亜極域では、表層水のガリウム濃度が低いことから、塵の流入量が少ないことが示唆され、その結果、高栄養塩・低クロロフィル環境の挙動を説明できる。[111]

予防

金属ガリウム自体は毒性がありません。しかし、いくつかのガリウム化合物は毒性があります。

ハロゲン化ガリウム錯体は毒性を有する可能性がある。[114]可溶性ガリウム塩のGa 3+イオンは、大量に注射すると不溶性水酸化物を形成する傾向があり、この水酸化物の沈殿は動物において腎毒性を引き起こした。低用量では、可溶性ガリウムは忍容性が高く、毒物として蓄積することはなく、主に尿を通して排泄される。ガリウムの排泄は2つの段階で起こり、第1段階の生物学的半減期は1時間、第2段階の生物学的半減期は25時間である。[98]

吸入したGa2O3粒子はおそらく有毒である。[115]

注記

  1. ^ 熱膨張は異方性である:パラメータ(280～302.9 Kの範囲)はα a  = 31.9 × 10 −6 /K、α b  = 16.2 × 10 −6 /K、α c  = 13.3 × 10 −6 /K、α平均 = 20.5 × 10 −6 /K.[5 ]

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  • 周期表のビデオにおけるガリウム（ノッティンガム大学）
  • acialloys.com の安全データシート
  • クリエイティブ・コモンズ・ライセンスに基づく、溶融ガリウム、ガリウム結晶、ガリウムインゴットの高解像度写真
  • ガリウムに関する教科書情報
  • ガリウムの環境影響
  • ガリウムの統計と情報
  • ガリウム：スマートメタル米国地質調査所
  • 熱伝導率
  • 液体ガリウムの物理的および熱力学的特性（doc pdf）
  • usgs.gov (鉱物商品概要 2025): ガリウム