Germaniumul este un metal semiconductor rar, de culoare argintie, care este utilizat în tehnologia infraroșu, cabluri cu fibră optică și celule solare.
Proprietăți
- Simbol atomic: Ge
- Număr atomic: 32
- Categorie de elemente: Metalloid
- Densitate: 5.323 g / cm3
- Punctul de topire: 938,25 ° C
- Punctul de fierbere: 2833 ° C (5131 ° F)
- Duritate Mohs: 6,0
caracteristici
Tehnic, germaniul este clasificat ca metaloid sau semi-metal. Unul dintre un grup de elemente care posedă proprietăți atât ale metalelor, cât și ale celor nemetale.
În forma sa metalică, germaniul este de culoare argintie, dur și fragil.
Caracteristicile unice ale Germanium includ transparența sa la radiațiile electromagnetice cu infraroșu aproape (la lungimi de undă cuprinse între 1600-1800 nanometri), indice de refracție ridicat și optică scăzută dispersie.
Metaloidul este, de asemenea, intrinsec semiconductor.
Istorie
Demitri Mendeleev, tatăl tabelului periodic, a prezis existența elementului numărul 32, pe care l-a numit ekasilicon, în 1869. Șaptesprezece ani mai târziu chimistul Clemens A. Winkler a descoperit și a izolat elementul de argiroditul mineral rar (Ag8GeS6). El a numit elementul după patria sa, Germania.
În anii 1920, cercetările asupra proprietăților electrice ale germaniului au dus la dezvoltarea de germaniu cu un singur cristal de puritate înaltă. Germania de monocristal a fost folosită ca diode de rectificare în receptorii radar cu microunde în timpul celui de-al doilea război mondial
Prima aplicație comercială pentru germaniu a venit după război, în urma invenției tranzistoarelor de John Bardeen, Walter Brattain și William Shockley la Bell Labs în decembrie 1947. În anii următori, tranzistoarele care conțin germaniu și-au găsit drum în echipamente de comutare telefonică, computere militare, aparate auditive și radiouri portabile.
Lucrurile au început să se schimbe după 1954, însă, când Gordon Teal din Texas Instruments a inventat o siliciu tranzistor. Tranzistoarele germaniu aveau tendința de a eșua la temperaturi ridicate, o problemă care putea fi rezolvată cu siliciu. Până la Teal, nimeni nu a putut produce siliciu cu o puritate suficient de mare pentru a înlocui germaniul, dar după 1954 siliciu a început să înlocuiască germaniul în tranzistoarele electronice, iar la mijlocul anilor '60, tranzistoarele de germaniu erau practic inexistent.
Noi aplicații urmau să vină. Succesul germaniului la tranzistoarele timpurii a dus la mai multe cercetări și la realizarea proprietăților infraroșii ale germaniului. În cele din urmă, acest lucru a dus la utilizarea metaloidului ca o componentă cheie a lentilelor și ferestrelor cu infraroșu.
Primele misiuni de explorare spațială Voyager lansate în anii ’70 s-au bazat pe puterea produsă de celulele fotovoltaice siliciu-germaniu (SiGe). PVC-urile pe bază de germaniu sunt încă critice pentru operațiunile prin satelit.
Dezvoltarea și extinderea sau rețelele cu fibră optică din anii 90 au dus la creșterea cererii de germaniu, care este utilizat pentru a forma miezul de sticlă al cablurilor cu fibră optică.
Până în 2000, PVC-urile de înaltă eficiență și diodele cu emisie de lumină (LED-uri) dependente de substraturile de germaniu au devenit mari consumatori ai elementului.
producere
La fel ca majoritatea metalelor minore, germaniul este produs ca un produs secundar al rafinării metalelor de bază și nu este extras ca material primar.
Germaniul este cel mai frecvent produs din sphalerită zinc minereuri, dar este, de asemenea, cunoscut a fi extras din cărbune de cenușă muscă (produs de la centrale electrice de cărbune) și unele cupru minereuri.
Indiferent de sursa de material, toate concentratele de germaniu sunt purificate pentru prima dată folosind un procedeu de clorură și distilare care produce tetraclorură de germaniu (GeCl4). Tetraclorura de germaniu este apoi hidrolizată și uscată, producând dioxid de germaniu (GeO2). Oxidul este apoi redus cu hidrogen pentru a forma pulbere de metal de germaniu.
Pulberea de germaniu este turnată în bare la temperaturi peste 1720.85 ° F (938.25 ° C).
Rafinarea în zonă (un proces de topire și răcire) barele izolează și îndepărtează impuritățile și, în cele din urmă, produc bare de înaltă puritate. Metalul comercial germaniu este adesea mai pur decât 99,999% pur.
Germaniul rafinat în zonă poate fi cultivat suplimentar în cristale, care sunt tăiate în bucăți subțiri pentru a fi utilizate în semiconductori și lentile optice.
Producția globală de germaniu a fost estimată de Sondajul Geologic al SUA (USGS) a fost de aproximativ 120 de tone în 2011 (conținut germaniu).
Se estimează că 30% din producția anuală mondială de germaniu este reciclată din materiale reziduale, precum lentilele IR retrase. Se estimează că 60% din germaniul utilizat în sistemele IR este acum reciclat.
Cele mai mari națiuni producătoare de germaniu sunt conduse de China, unde două treimi din tot germaniul a fost produs în 2011. Alți mari producători includ Canada, Rusia, SUA și Belgia.
Printre principalii producători de germaniu se numără Teck Resources Ltd., Yunnan Lincang Xinyuan Germanium Industrial Co., Umicore și Nanjing Germanium Co.
Aplicații
Conform USGS, aplicațiile de germaniu pot fi clasificate în 5 grupuri (urmate de un procent aproximativ de consum total):
- Optică IR - 30%
- Fibră optică - 20%
- Tereftalat de polietilenă (PET) - 20%
- Electronic și solar - 15%
- Fosforuri, metalurgie și organice - 5%
Cristalele de germaniu sunt cultivate și formate în lentile și ferestre pentru sisteme optice IR sau termice. Aproximativ jumătate din toate aceste sisteme, care depind foarte mult de cererea militară, includ germaniul.
Sistemele includ mici dispozitive portabile și armate, precum și sisteme montate pe vehicule, aer, terestre și pe mare. S-au făcut eforturi pentru creșterea pieței comerciale a sistemelor IR bazate pe germaniu, cum ar fi în cazul autoturismelor de înaltă performanță, însă aplicațiile non-militare reprezintă încă aproximativ 12% din cerere.
Tetraclorura de germaniu este utilizată ca dopant - sau aditiv - pentru a crește indicele de refracție în miezul de sticlă de silice al liniilor cu fibră optică. Prin încorporarea germaniului, se poate preveni pierderea semnalului.
Formele de germaniu sunt, de asemenea, utilizate în substraturi pentru a produce PVC-uri atât pentru generarea de energie spațială (sateliți), cât și pentru generarea terestră.
Substraturile de germaniu formează un strat în sistemele multistrat care utilizează, de asemenea, galiu, fosfură de indiu și galiu arseniură. Astfel de sisteme, cunoscute sub denumirea de fotovoltaică concentrată (CPV), datorită folosirii lor de lentile de concentrare care măresc lumina solară înainte de a fi transformate în energie, au niveluri de eficiență ridicată, dar sunt mai costisitoare la fabricare decât siliciul cristalin sau cupru-indiu-galiu-diselenidă (CIGS) celule.
Aproximativ 17 tone de dioxid de germaniu sunt utilizate ca catalizator de polimerizare în producția de materiale plastice PET în fiecare an. Plasticul PET este utilizat în principal în alimente, băuturi și recipiente lichide.
În ciuda eșecului său ca tranzistor în anii '50, germaniul este folosit în tandem cu siliciu în componentele tranzistorului pentru unele telefoane mobile și dispozitive wireless. Tranzistoarele SiGe au viteze de comutare mai mari și utilizează mai puțină putere decât tehnologia pe bază de siliciu. O aplicație de utilizare finală pentru cipurile SiGe este în sistemele de siguranță auto.
Alte utilizări pentru germaniu în electronice includ cipuri de memorie în fază, care înlocuiesc memoria flash în multe dispozitive electronice datorită beneficiilor lor de economisire a energiei, precum și în substraturile utilizate la producerea de LED-uri.
surse:
USGS. Anuarul mineralelor 2010: Germanium. David E. Guberman.
http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/germanium/
Asociația pentru comerț cu metale minore (MMTA) germaniu
http://www.mmta.co.uk/metals/Ge/
Muzeul CK722. Jack Ward.
http://www.ck722museum.com/