中國宣布出口限制之后，美國如何采購鎵？

氮化鎵（GaN）是一種寬帶隙半導體材料。由于具有更高的擊穿強度、更快的開關、更高的熱導率和更低的導通電阻，氮化鎵基功率器件明顯比硅基器件更優(yōu)越。氮化鎵晶體可以在各種襯底上生長，包括藍寶石、碳化硅（SiC）和硅（Si）。在硅上生長 GaN 外延層可以使用現(xiàn)有的硅制造基礎設施，從而無需使用成本很高的特定生產(chǎn)設施，而且可采用低成本、大直徑的硅晶片。氮化鎵材料用于制造半導體功率器件, 也可以用于制造射頻元件和發(fā)光二極管（LED）。氮化鎵技術展示出它可以在功率轉(zhuǎn)換、射頻及模擬應用中，替代硅基半導體技術。

氧化鎵（Ga2O3）是鎵最穩(wěn)定的氧化物，是一種白色的晶體粉末，具有兩性。氧化鎵，禁帶寬度為 4.9eV，遠高于碳化硅（3.2eV）和氮化鎵（3.39eV），僅次于金剛石（5.5eV）和氮化鋁（6.2eV）。氧化鎵具有適合日盲紫外波段的禁帶寬度以及極高的耐擊穿場強，在日盲紫外光電探測，高功率、低損耗半導體器件制備方面具有很大優(yōu)勢，在航空航天、5G 通訊、軌道交通、高端裝備、智能電網(wǎng)、新能源汽車等眾多領域具有潛在的應用，市場前景廣闊，是一種非常有潛力的半導體材料。

自從中國宣布限制對鎵的出口以來，鎵的一直成為頭條新聞。中國的限制自 2023 年 8 月 1 日起生效，這對美國采購該元素造成了重大打擊，因為 98% 的精煉鎵來自中國。戰(zhàn)略與國際研究中心準備的一份關于「消除鎵供應鏈風險」的詳細研究警告說，「未能解決鎵供應鏈中的明顯漏洞可能會給美國及其盟國帶來嚴重的國家安全和經(jīng)濟挑戰(zhàn)?！?/p>

金屬鎵具有在室溫下熔化的不尋常特性，并且經(jīng)常成為化學展覽中的珍品。與元素周期表上的鄰居鋁一樣，鎵并不是獨立存在于地殼中的，而是與一系列其他元素結(jié)合在一起。大多數(shù)鎵礦石來自鋁土礦（鋁的原生礦石）以及一些鋅礦床的開采。然而，與地殼中最豐富的金屬之一鋁不同，鎵非常稀缺。用于地殼中鎵的估計值約為 16.9 ppm（作為比較，地殼中銅的估計值約為 50 ppm，鋁約為 82,000 ppm）。

鎵化合物提供了一系列新技術，從 LED 照明到太陽能電池，再到用于一系列消費和國防應用的高效半導體。氮化鎵的廣泛應用意義重大，以至于三名日本科學家因此榮獲 2014 年諾貝爾物理學獎。氮化鎵具有卓越的電化學性能，目前正受到另一場重要的綠色技術革命——快速充電設備的青睞。充電設備在第四次工業(yè)革命中發(fā)揮著多么重要的作用——每部智能手機、筆記本電腦、無人機，甚至電動汽車都需要高效的充電系統(tǒng)。盡管其半導體特性眾所周知，但其低發(fā)熱特性氮化鎵充電系統(tǒng)現(xiàn)在也越來越受歡迎。領導這項工作的是納維半導體公司，該公司正在開發(fā)氮化鎵充電系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以將電動汽車的家庭充電時間減少三分之一。這可能會對消費者對電動汽車的接受程度產(chǎn)生巨大影響。

由于大多數(shù)鎵是作為鋁土礦的「伴金屬」開采的，因此我們需要找到使鋁供應多元化的方法，同時發(fā)展下游精煉能力，而這正是中國占據(jù)主導地位的領域。西非國家?guī)變?nèi)亞擁有世界上最大的鋁土礦儲量。中國投資在該國整個供應鏈中占據(jù)主導地位，目前中國 56% 的鋁土礦進口用于煉油。幾內(nèi)亞目前由軍政府控制，其政治未來存在巨大不確定性。澳大利亞和巴西等其他主要鋁土礦生產(chǎn)國更有可能為美國提供長期鋁土礦來源。

目前美國僅從鋁土礦鋁礦開采中提取了約 10% 的可用鎵副產(chǎn)品。然而，正如稀土鑭系元素等其他技術金屬的經(jīng)驗所表明的那樣，在智能手機等新產(chǎn)品的推動下，需求可能會在短時間內(nèi)迅速上升。因此，礦產(chǎn)政策分析師必須開始制定令人信服的鎵供應情景，其中考慮到從澳大利亞和加拿大等可靠來源提取鋁土礦的高能源成本，以及從回收材料中利用鎵的機會。據(jù)估計，2010 年日本通過回收廢料生產(chǎn)了約 90 噸鎵，美國能源部估計鎵回收能力約為 42%。

除了鋁土礦之外，德克薩斯州的圓頂稀土礦床還蘊藏著大量伴生的鎵礦床，可以提供足夠使用 2,000 年的金屬。盡管這些估計是基于當前的消費量，而當前的消費量無疑會隨著這些新的需求領域而增長，但在可預見的未來仍然有充足的供應。最終，通過電子設備的模塊化設計回收鎵也將緩解市場壓力。鎵的獨特性質(zhì)可能會產(chǎn)生更多有價值的用途，并且在全球化學工程項目中對其化合物進行更多研究應該是一個優(yōu)先事項。與此同時，任何技術用途的材料多樣化始終值得追求，盡管此類替代品可能存在化學限制。