Долгосрочные перспективы ресурсного обеспечения технически развитой цивилизации

[AlexAV]

В полупроводниковой промышленности в значимых количествах редкие элементы просто не используются. Вернее используются тоже золото и серебро, но их использование не принципиально.

Используют. В современных высокопроизводительных микросхемах импользуют "напряжённый кремний", который на самом деле является сплавом кремния и германия, металлизация - биметалл танатал/медь (медь сильно диффундирует в полупроводник и нужен барьерный слой). В затворах High-K диэлектрик (а для него нужен гафний). Микросхемы которые в своём составе могут содержать только кремний и аллюминий закончились на 100 нм.

Но это ещё не всё. Индий абсолютно необходим для светодиодов и т.д. Без серебра и никеля нельзя даже нормальный выключатель сделать. О меди и олове для изготовления печатных плат и палладие для высокостабильных конденсаторов я даже не говорю...

Электроника без редких элементов будет представлять собой довольно жалкое зрелище...

Мобильник и ноутбук, можно сделать без всяких редких элементов.

Едва ли...

[MenFrame]

сплавом кремния и германия

Германий биогенный элемент, его в принципе можно из золы получать.

танатал

гафний

Я бы не называл их такими уж редкими, в микроскопических количествах для электроники их получать вполне можно. Учитывая то что они нужны в долях микрограмма, то проблема вообще смешная.

Микросхемы которые в своём составе могут содержать только кремний и аллюминий закончились на 100 нм.

Доля многих приложений этого вполне достаточно. Если же посмотреть на будущее электроники, а именно одноэлектронные транзисторы, квантовые клеточные автоматы, то там полупроводники вообще не нужны. Гейм с Новоселовым одноэлетронный транзистор из графена сделали.

Индий абсолютно необходим для светодиодов и т.д.

Тоже не сильно редкий
Содержание индия в земной коре (кларк) 0,25 г/т (он в три раза более распространён, чем серебро), в морской воде 0,018 мг/л

[DimVad]

Микросхемы которые в своём составе могут содержать только кремний и аллюминий закончились на 100 нм.

А это хорошая новость. На 100 нм были достаточно приличные компы.

Индий абсолютно необходим для светодиодов

Вроде ртути исчерпание в ближайшее время не грозит ? Вернёмся к разнообразным лампам дневного света (всякие "экономки"  ).

[MenFrame]

Вроде ртути исчерпание в ближайшее время не грозит

Ртуть более редкий метал в сравнении с индием.

[DimVad]

Вроде ртути исчерпание в ближайшее время не грозит

Ртуть более редкий метал в сравнении с индием.

Опс... Значит лампочки накаливания...

[MenFrame]

Опс... Значит лампочки накаливания...

Вольфрам конечно, в 5 раз более распостранен чем индий, но сколько вольфрама в лампочке и сколько индия в светодиоде?

[DimVad]

Опс... Значит лампочки накаливания...

Вольфрам конечно, в 5 раз более распостранен чем индий, но сколько вольфрама в лампочке и сколько индия в светодиоде?

А вот вольфрам из лампочек можно повторно использовать :

1. Вытащить нить из стеклянной колбы
2. Переплавить
3. Вставить в новую стеклянную колбу
 

Сдал сгоревшую лампочку - получи новую за полцены !

А вот вытащить индий из полупроводника - не уверен...

[sharp]

А вот вытащить индий из полупроводника - не уверен...

Химическим разделением.

[MenFrame]

Сдал сгоревшую лампочку - получи новую за полцены !

Только полупроводник может служить значительно дольше вольфрамовой лампочки. Ну и потребление энергии несопоставимо.

А вот вытащить индий из полупроводника - не уверен...

Почему нет, какие тут препятствия?

[AlexAV]

Германий биогенный элемент, его в принципе можно из золы получать.

Угольной, в основном в легкоплавкой фракции золы улавливаемой золоуловителями. С исчерпанием запасов угля и сульфидных руд разумных источников не останется вообще.

Я бы не называл их такими уж редкими, в микроскопических количествах для электроники их получать вполне можно.

Гафний - возможно (примесь в цирконах, который достаточно распространён в песках). Но вот с танталом - всё плохо.

Если же посмотреть на будущее электроники, а именно одноэлектронные транзисторы, квантовые клеточные автоматы, то там полупроводники вообще не нужны.

В большинстве вариантов очень даже нужны... Это структуры типа такой:



здесь интересные буквы встречаются, особенно In.

транзистор из графена

Один транзистор сделали, но никакого приемлемого метода делать из него микросхемы не существует. Здесь мешает и сложность изготовления качественных плёнок, и чрезмерная инертность затрудняющая травление. Кроме того у графена - нет запрещённой зоны, что ведёт к большим токам утечки в приборах его использующих.

Сейчас из двумерных материалов чаще сульфид молибдена рассматривают (у того хотя бы запрещённая зона есть), а графен кажется навечно останется "перспективным материалом", который по факту никуда не годится.

Тоже не сильно редкий

Этот как раз - особо. Очень редкий и рассеянный. Эти 0,25 г/т - это неизвлекаемые количества.

в морской воде 0,018 мг/л

В основном в виде взвесей в составе минералов глинистых частиц, от чего проку ноль. А в ионной форме 0,001 ppb (частей на миллиард) - это тоже абсолютно неизвлекаемые количества.

Как раз индий - относится к тем элементам, которые после исчерпания сульфидных руд будут доступны как какой-нибудь калифорний сегодня. Многие слышали, что он существует, но никто не видел. Это вообще один из самых проблемных элементов.

[AlexAV]

Только полупроводник может служить значительно дольше вольфрамовой лампочки.

Замена вольфрама на галлий, индий и иттрий... Довольно сомнительная на самом деле замена...

[DimVad]

Как раз индий - относится к тем элементам, которые после исчерпания сульфидных руд будут доступны как какой-нибудь калифорний сегодня.

А не могли бы Вы прокомментировать возможность его рециклинга из полупроводников ? А то тут спор вышел...

[MenFrame]

Угольной, в основном в легкоплавкой фракции золы улавливаемой золоуловителями.

В золе любой органики. В одной головке чеснока, германия хватит и на тебя и на соседа.

Но вот с танталом - всё плохо.

Среднее содержание гафния в земной коре — около 4 г/т, Тантала 2г/т. С танталом всего лишь в два раза хуже чем с гафнием.

В большинстве вариантов очень даже нужны...

Для  устройст на эффекте квантового тунелирования нужен тупо проводник и изолятор.

Кроме того у графена - нет запрещённой зоны

Для одноэлектронного устройства это не нужно.

Эти 0,25 г/т - это неизвлекаемые количества.

Это вопрос цены и технологии. Перейти на угольную нить или научиться извлекать эти 0,25 г/т.. 

[sharp]

Используют. В современных высокопроизводительных микросхемах импользуют "напряжённый кремний", который на самом деле является сплавом кремния и германия, металлизация - биметалл танатал/медь (медь сильно диффундирует в полупроводник и нужен барьерный слой). В затворах High-K диэлектрик (а для него нужен гафний). Микросхемы которые в своём составе могут содержать только кремний и аллюминий закончились на 100 нм.

Насколько я помню, для напряженного кремния до 65 нм требуется только медь.

В любом случае, может быть разумный выход как раз в том, чтобы прекратить погоню за законом Мура и остановиться на 100-50 нм? О гаджетах конечно придется позабыть, ну или во всяком случае они будут попроще нынешних

[AlexAV]

Ртуть более редкий метал в сравнении с индием.

Для элементов с распространённостью индий, ртути, серебра и даже вольфрама - кларк уже по большей части без разницы. Все они в равной степени абсолютно не извлекаемые из породы с кларковым содержанием. Тут нужно скорее детали геохимии смотреть и их способность к переносу в различных геохимических процессах. Т.е. существуют ли современные их геохимические потоки, из которых их можно взять или нет.

Здесь хороший индикатор - образует ли элемент собственные месторождения. Если да - то такие потоки существуют и это потенциально даёт возможно из них что-то взять. Если нет - то всё плохо. Ртуть, серебро, золото, мышьяк, вольфрам - собственные месторождения образуют. И действительно в водах ряда геотермальных месторождений наблюдается их высокая концентрация. И это даёт какой-то возобновляемый источник (вот только не надо думать, что это позволяет заместить всё современную добычу, количества элементов выносимые этими источниками по сравнению с нашими текущими потребностями ничтожны, если мы оттуда извлечём несколько сотен килограмм того же серебра или ртути на всю планету в год - уже большим счастьем будет...). А скажем германий, индий, селен, теллур - собственных месторождений практически не образует. А это значит скорее всего, что и искать такие источники скорее всего мало осмысленно.

[MenFrame]

В любом случае, может быть разумный выход как раз в том, чтобы прекратить погоню за законом Мура и остановиться на 100-50 нм?

Просто сходите пописайте, германия в вашей моче хватит и на процессор и на видеокарту.
С пищей германия в организм человека поступает 0,4 – 1,5 мг. Выводится из организма с мочой около 90 %. Кто сдает продукт вторичный....

[MenFrame]

А скажем германий, индий, селен, теллур - собственных месторождений практически не образует.

Электроника использует их в мизерных количествах(если речь идет чипах) Потому тут вопрос цены не стоит. Мы можем заменить металические ложки на деревянные, но заменить электронного водителя обратно на белкового будет дороговато.

[AlexAV]

В золе любой органики. В одной головке чеснока, германия хватит и на тебя и на соседа.

Откуда Вы это взяли? В растительной золе нет никаких сколько-нибудь заметных количеств германия, т.к. его в растениях почти нет, не нужен он им. В углях он накопился путём сорбции микроколичеств из грунтовых вод за миллионы лет, а не из исходного растительного сырья.

Среднее содержание гафния в земной коре — около 4 г/т, Тантала 2г/т. С танталом всего лишь в два раза хуже чем с гафнием.

Да тут кларк уже почти без разницы. Из подмосковного суглинка ни тот, ни тот не извлекаем. Различие в том, что гафний образует изоморфизм с минералами циркония и накапливается в нём в значительных количествах, а для тантала такое накопление в достаточно распространённых минералах менее характерно. Циркон в заметных количествах содержится в тяжёлой фракции песков. И от туда при добыче циркония (кстати тоже ограниченной, объёмы которые возобновляются тут можно оценить максимум в несколько десятков тысяч тонн) можно попутно извлекать небольшие количества гафния. А вот танталу с таким удобным химическим аналогом из сравнительно распространённых элементов не повезло.

Для столь редких элементов уже не столько распространённость надо смотреть (какая разница, всё равно неизвлекаемо), а детали геохимии. Может ли он добываться как попутный с каким-то более распространённым элементом? Участвует ли он в процессах переноса в геохимических процессах и как? И т.д.

[sharp]

Может ли он добываться как попутный с каким-то более распространённым элементом? Участвует ли он в процессах переноса в геохимических процессах и как? И т.д.

А все-таки что насчет переработки микросхем в смысле химической сепарации элементов? Если это возможно, рециклить можно до бесконечности.

[AlexAV]

А все-таки что насчет переработки микросхем в смысле химической сепарации элементов? Если это возможно, рециклить можно до бесконечности.

Технически можно. Мелем в порошок, растворяем в азотке, а далее пропускаем через высокоселективные иониты (так можно отделить индий, серебро, палладий, некоторые другие). Далее нерастворимый остаток сплавляем с щёлочью в присутствии окислителя, растворяем в воде и снова и пропускаем через другие иониты (извлекаем германий и скажем тантал). Но это будет весьма дорого и кроме того даже чисто технологические потери неизбежны, даже хороший ионит 100% не извлечёт, особенно учитывая, что компоненты в растворах будут содержаться в очень низких концентрациях. Часть неизбежно будет уходить в канализацию.