Dobijte informacije o svojstvima, istoriji, proizvodnji i aplikacijama
Germanijum je retko srebrno poluprovodnički metal koji se koristi u infracrvenoj tehnologiji, optičkim kablovima i solarnim ćelijama.
Nekretnine
- Atomski simbol: Ge
- Atomski broj: 32
- Element Kategorija: Metalloid
- Gustina: 5.323 g / cm3
- Tačka topljenja: 1720.85 ° F (938.25 ° C)
- Tačka ključanja: 5131 ° F (2833 ° C)
- Mohs tvrdoća: 6.0
Karakteristike
Tehnički, germanijum je klasifikovan kao metaloid ili polumetal . Jedna od grupa elemenata koji poseduju svojstva metala i nemetala.
U svojoj metalnoj formi, germanijum je srebro u boji, tvrd i krhka.
Jedinstvene karakteristike germanija uključuju njegovu transparentnost do blizu infracrvenog elektromagnetnog zračenja (na talasnim dužinama između 1600-1800 nanometara), visokom indeksu refrakcije i niskoj optičkoj disperziji.
Metaloid je isto tako poluprovodnički.
istorija
Demitri Mendelejev, otac periodičnog stola, predvideo je postojanje elementa broj 32, koje je nazvao ekasilicon , 1869. godine. Sedamnaest godina kasnije, hemičar Clemens A. Winkler otkrio je i izolovao element iz retkog mineralnog argyrodita (Ag8GeS6). Element je nazvao po svojoj domovini, Njemačkoj.
Tokom dvadesetih godina prošlog veka, istraživanje električnih osobina germanija rezultiralo je razvojem čistog, monokristalnog germanija. Jednokristalni germanijum korišćen je kao ispravljačke diode u mikrotalasnim radarskim prijemnicima tokom Drugog svjetskog rata.
Prva reklamna aplikacija za germanijum je došla nakon rata, nakon pronalaska tranzistora John Bardeen, Walter Brattain i William Shockley u Bell Labs u decembru 1947. godine.
U narednim godinama, tranzistori koji sadrže germanijum pronašli su put u telefonsku opremu, vojne kompjutere, slušne aparate i prenosne radio stanice.
Stvari su počele da se menjaju nakon 1954. godine, međutim, kada je Gordon Teal Texas Instruments izmislio silicijumski tranzistor. Germanijumski tranzistori imali su tendenciju da ispadnu na visokim temperaturama, što je problem koji se može rešiti silicijumom.
Do Teal-a, niko nije mogao da proizvede silicij s dovoljno čistom čistoćom da bi zamenio germanijum, ali nakon 1954 silicij je započeo zamenu germanijuma u elektronskim tranzistorima, a sredinom 1960-ih nemački tranzistori praktično nisu postojali.
Nove prijave su trebale doći. Uspeh germanijuma u ranim tranzistorima dovodi do više istraživanja i realizacije infracrvenih svojstava germanijuma. Na kraju, ovo je rezultiralo upotrebom metaloida kao ključne komponente infracrvenih (IR) sočiva i prozora.
Prve misije Voyagerovog istraživanja svemira pokrenutih 1970-ih se oslanjale na snagu proizvedenu silicijum-germanijumskim (SiGe) fotonaponskim ćelijama (PVCs). PVC-a bazirani na njemačkom sistemu su i dalje kritični za satelitske operacije.
Razvojne i ekspanzione ili optičke mreže devedesetih godina prošlog veka dovele su do povećane potražnje za germanijumom, koji se koristi za formiranje staklenog jezgra optičkih kablova.
Do 2000. godine visoko-efikasni PVC i diode koje emituju svetlost (LED) u zavisnosti od germanijumskih supstrata postale su veliki potrošači elementa.
Proizvodnja
Kao i većina manjeg metala, germanijum se proizvodi kao nusproizvod prerade baznih metala i nije miniran kao primarni materijal.
Germanijum se najčešće proizvodi od sfaleritnih cinkalnih ruda, ali je takođe poznat da se izvlači iz letećeg pepela (proizveden iz elektrana na ugalj) i nekoliko bakarnih ruda.
Bez obzira na izvor materijala, svi koncentrati germanija se prvo prečišćavaju primenom procesa hloracije i destilacije koji proizvodi germanijum tetrahlorid (GeCl4). Zatim se germanijum tetrahlorid hidrolizira i osuši, stvarajući germanijum dioksid (GeO2). Oksid se onda redukuje vodonikom kako bi se formirao metalni prah od germanija.
Prašum iz gume je bačen u pruge na temperaturama iznad 1720,85 ° F (938,25 ° C).
Zona rafiniranja (proces taljenja i hlađenja) šipke izoluju i uklanjaju nečistoće i, konačno, proizvode germanijumske šipke visoke čistoće. Komercijalni germanijumski metali često su čisti od 99,999%.
Zona-rafinirani germanijum se dalje može odgajati u kristale, koji se rezimu na tanke komade za upotrebu u poluprovodnicima i optičkim sočivima.
Američka geološka anketa (USGS) procenjuje da globalna proizvodnja germanija iznosi približno 120 metričkih tona u 2011. godini (sadržana je germanijum).
Procenjuje se da se 30% svetske godišnje proizvodnje germanija reciklira iz otpadnih materijala, kao što su penzionisane IR sočiva. Procenjuje se da se 60% germanijuma koji se koristi u IR sistemima sada reciklira.
Najveće proizvođače germanija predvodi Kina, gdje su u 2011. proizvedene dve trećine germanijuma. Ostali glavni proizvođači uključuju Kanadu, Rusiju, SAD i Belgiju.
Glavni proizvođači germanija uključuju Teck Resources Ltd. , Yunnan Lincang Xinyuan Germanium Industrial Co, Umicore i Nanjing Germanium Co.
Aplikacije
Prema USGS-u, aplikacije germanija mogu se svrstati u 5 grupa (praćeno približnim procentom ukupne potrošnje):
- IR optika - 30%
- Optička vlakna - 20%
- Polietilen tereftalat (PET) - 20%
- Elektronski i solarni - 15%
- Fosfor, metalurgija i organska - 5%
Kristali germanija se uzgajaju i formiraju u sočiva i prozor za optičke sisteme za IR ili termičke snimke. Oko polovine svih takvih sistema, koje su u velikoj meri zavisne od vojne potražnje, uključuju germanijum.
Sistemi uključuju male ručne uređaje i uređaje koji se montiraju na oružje, kao i sistemi za montiranje vozila na vazduh, kopno i na moru. Uloženi su napori da se komercijalno tržište razvije za IR sisteme zasnovane na germanijumu, kao što su automobili visokih vozila, ali nevladine aplikacije i dalje imaju samo oko 12% potražnje.
Germanijum tetrahlorid se koristi kao dopant - ili aditiv - povećanje indeksa refrakcije u jezgru od silika stakla optičkih linija. Inkorporiranjem germanija, gubitak signala se sprečava može se sprečiti.
Obliki germanija se takođe koriste u podlogama za proizvodnju PVC-a kako za svemirske (satelite), tako i za zemaljsku proizvodnju energije.
Podlozi germanija formiraju jedan sloj u višeslojnim sistemima koji takođe koriste galijum, indijum fosfid i galijum arsenid. Takvi sistemi, poznati kao koncentrirana fotonaponski sistemi (CPVs) zbog njihove upotrebe koncentričnih sočiva koji povećavaju solarna svetlost pre nego što se pretvore u energiju, imaju visoke efikasne nivoe, ali su skuplji za proizvodnju nego kristalni silicijum ili bakar-indijum-galijum- diselenid (CIGS) ćelije.
Oko 17 metričkih tona germanijum dioksida koristi se kao katalizator za polimerizaciju u proizvodnji PET plastike svake godine. PET plastika primarno se koristi u hrani, napitcima i tečnim kontejnerima.
Uprkos neuspjeli kao tranzistor 1950-ih, germanijum se sada koristi u tandemu s silikonom u tranzistorskim komponentama za neke mobilne telefone i bežične uređaje. SiGe tranzistori imaju veću brzinu prelaska i koriste manje snage nego tehnologija zasnovana na silikonu. Jedna aplikacija za krajnju upotrebu za SiGe čipove je u automobilskim sigurnosnim sistemima.
Druge upotrebe germanijuma u elektronici uključuju čipove fazne memorije, koji zamenjuju fleš memoriju u mnogim elektronskim uređajima zbog svojih prednosti uštede energije, kao i na substratima koji se koriste u proizvodnji LED-a.
Izvori:
USGS. 2010 Minerals Yearbook: Germanium. David E. Guberman.
http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/germanium/
Trgovinska udruženja malih metala (MMTA). Germanium
http://www.mmta.co.uk/metals/Ge/
Muzej CK722. Jack Ward.
http://www.ck722museum.com/