中國(guó)宣布出口限制之后，美國(guó)如何采購(gòu)鎵？

氮化鎵（GaN）是一種寬帶隙半導(dǎo)體材料。由于具有更高的擊穿強(qiáng)度、更快的開(kāi)關(guān)、更高的熱導(dǎo)率和更低的導(dǎo)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(zhǎng)，包括藍(lán)寶石、碳化硅（SiC）和硅（Si）。在硅上生長(zhǎng) GaN 外延層可以使用現(xiàn)有的硅制造基礎(chǔ)設(shè)施，從而無(wú)需使用成本很高的特定生產(chǎn)設(shè)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(dǎo)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(shù)展示出它可以在功率轉(zhuǎn)換、射頻及模擬應(yīng)用中，替代硅基半導(dǎo)體技術(shù)。

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(yuǎn)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(chǎng)強(qiáng)，在日盲紫外光電探測(cè)，高功率、低損耗半導(dǎo)體器件制備方面具有很大優(yōu)勢(shì)，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(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用，市場(chǎng)前景廣闊，是一種非常有潛力的半導(dǎo)體材料。

自從中國(guó)宣布限制對(duì)鎵的出口以來(lái)，鎵的一直成為頭條新聞。中國(guó)的限制自 2023 年 8 月 1 日起生效，這對(duì)美國(guó)采購(gòu)該元素造成了重大打擊，因?yàn)?98% 的精煉鎵來(lái)自中國(guó)。戰(zhàn)略與國(guó)際研究中心準(zhǔn)備的一份關(guān)于「消除鎵供應(yīng)鏈風(fēng)險(xiǎn)」的詳細(xì)研究警告說(shuō)，「未能解決鎵供應(yīng)鏈中的明顯漏洞可能會(huì)給美國(guó)及其盟國(guó)帶來(lái)嚴(yán)重的國(guó)家安全和經(jīng)濟(jì)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(xué)展覽中的珍品。與元素周期表上的鄰居鋁一樣，鎵并不是獨(dú)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(lái)自鋁土礦（鋁的原生礦石）以及一些鋅礦床的開(kāi)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(jì)值約為 16.9 ppm（作為比較，地殼中銅的估計(jì)值約為 50 ppm，鋁約為 82,000 ppm）。

鎵化合物提供了一系列新技術(shù)，從 LED 照明到太陽(yáng)能電池，再到用于一系列消費(fèi)和國(guó)防應(yīng)用的高效半導(dǎo)體。氮化鎵的廣泛應(yīng)用意義重大，以至于三名日本科學(xué)家因此榮獲 2014 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。氮化鎵具有卓越的電化學(xué)性能，目前正受到另一場(chǎng)重要的綠色技術(shù)革命——快速充電設(shè)備的青睞。充電設(shè)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(jī)、筆記本電腦、無(wú)人機(jī)，甚至電動(dòng)汽車都需要高效的充電系統(tǒng)。盡管其半導(dǎo)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(lái)越受歡迎。領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)工作的是納維半導(dǎo)體公司，該公司正在開(kāi)發(fā)氮化鎵充電系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以將電動(dòng)汽車的家庭充電時(shí)間減少三分之一。這可能會(huì)對(duì)消費(fèi)者對(duì)電動(dòng)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(kāi)采的，因此我們需要找到使鋁供應(yīng)多元化的方法，同時(shí)發(fā)展下游精煉能力，而這正是中國(guó)占據(jù)主導(dǎo)地位的領(lǐng)域。西非國(guó)家?guī)變?nèi)亞擁有世界上最大的鋁土礦儲(chǔ)量。中國(guó)投資在該國(guó)整個(gè)供應(yīng)鏈中占據(jù)主導(dǎo)地位，目前中國(guó) 56% 的鋁土礦進(jìn)口用于煉油。幾內(nèi)亞目前由軍政府控制，其政治未來(lái)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(guó)更有可能為美國(guó)提供長(zhǎng)期鋁土礦來(lái)源。

目前美國(guó)僅從鋁土礦鋁礦開(kāi)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(shù)金屬的經(jīng)驗(yàn)所表明的那樣，在智能手機(jī)等新產(chǎn)品的推動(dòng)下，需求可能會(huì)在短時(shí)間內(nèi)迅速上升。因此，礦產(chǎn)政策分析師必須開(kāi)始制定令人信服的鎵供應(yīng)情景，其中考慮到從澳大利亞和加拿大等可靠來(lái)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(jī)會(huì)。據(jù)估計(jì)，2010 年日本通過(guò)回收廢料生產(chǎn)了約 90 噸鎵，美國(guó)能源部估計(jì)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(yùn)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(jì)是基于當(dāng)前的消費(fèi)量，而當(dāng)前的消費(fèi)量無(wú)疑會(huì)隨著這些新的需求領(lǐng)域而增長(zhǎng)，但在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)仍然有充足的供應(yīng)。最終，通過(guò)電子設(shè)備的模塊化設(shè)計(jì)回收鎵也將緩解市場(chǎng)壓力。鎵的獨(dú)特性質(zhì)可能會(huì)產(chǎn)生更多有價(jià)值的用途，并且在全球化學(xué)工程項(xiàng)目中對(duì)其化合物進(jìn)行更多研究應(yīng)該是一個(gè)優(yōu)先事項(xiàng)。與此同時(shí)，任何技術(shù)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(xué)限制。