Več o Germaniju

Pridobite informacije o lastnostih, zgodovini, proizvodnji in aplikacijah

Germanium je redka srebrna polprevodniška kovina, ki se uporablja v infrardeči tehnologiji, optičnih kablovih in sončnih celicah.

Lastnosti

• Atomski simbol: Ge
• Atomska številka: 32
• Element Kategorija: Metalloid
• Gostota: 5,323 g / cm3
• Tališče: 1720,85 ° F (938,25 ° C)
• Vrelišče: 5131 ° F (2833 ° C)
• Trdota Mohs: 6,0

Značilnosti

Tehnično je germanij razvrščen kot metaloid ali pol-kovin. Eden od skupin elementov, ki imajo lastnosti kovin in nekovin.

V svoji kovinski obliki je germanij srebro v barvi, trdi in krhki.

Edinstvene značilnosti Germanija vključujejo njegovo preglednost do bližnjega infrardečega elektromagnetnega sevanja (pri valovnih dolžinah med 1600-1800 nanometri), visokim refrakcijskim indeksom in nizko optično disperzijo.

Metaloid je tudi intrinsično polprevodni.

Zgodovina

Demitri Mendeleev, oče periodične mize, je napovedal obstoj elementa 32, ki ga je poimenoval ekasilicon leta 1869. Sedemnajst let pozneje je kemik Clemens A. Winkler odkril in izoliral element iz redkega mineralnega argyrodita (Ag8GeS6). Element je poimenoval po svoji domovini, Nemčiji.

Med leti 1920-ih je raziskava o električnih lastnostih germanija povzročila razvoj visoke čistosti, enokristalnega germanija. Enkratno kristalni germanij smo uporabili kot rektifikacijske diode v mikrovalovnih radarskih sprejemnikih med drugo svetovno vojno.

Prva komercialna prijava za germanij je prišla po vojni po izumu tranzistorjev John Bardeen, Walter Brattain in William Shockley v Bell Labs decembra 1947.

V naslednjih letih so tranzistorji, ki vsebujejo germanij, našli svojo pot v telefonsko stikalno opremo, vojaške računalnike, slušne pripomočke in prenosne radijske naprave.

Po letu 1954 so se stvari spremenile, ko je Gordon Teal iz Texas Instruments izumil tranzistor silicija . Germanijovi tranzistorji so bili nagnjeni k neuspehu pri visokih temperaturah, problem, ki bi ga bilo mogoče rešiti s silikonom.

Do Teal nihče ni mogel proizvajati silicija z dovolj visoko čistostjo, da bi nadomestil germanij, po letu 1954 pa je silikon začel zamenjati germanij v elektronskih tranzistorjih in do sredine šestdesetih let prejšnjega stoletja skorajda niso obstajali germanijev tranzistorji.

Prihajajo nove prijave. Uspeh germanija v zgodnjih tranzistorjih je privedel do več raziskav in uresničevanja infrardečih lastnosti germanija. Končno je to pomenilo, da se metaloid uporablja kot ključna sestavina infrardečih (IR) objektivov in oken.

Prve misije Voyagerjevega vesoljskega raziskovanja, ki so se začele v sedemdesetih letih, so se sklicevale na moč, ki jo proizvajajo fotonapetostne celice silicij-germanij (SiGe) (PVC). PVC-ji na osnovi germanija so še vedno ključni za satelitske operacije.

Razvojne in razširitvene ali optične mreže v devetdesetih letih so privedle do povečanega povpraševanja po germaniju, ki se uporablja za oblikovanje steklenih jeder kablov iz optičnih vlaken.

Do leta 2000 so bili visoko učinkoviti PVC-ji in svetleče diode (LED), ki so odvisni od germanijevih substratov, postali veliki porabniki elementa.

Proizvodnja

Tako kot večina manjših kovin se germanij proizvaja kot stranski produkt rafinacije navadnih kovin in ni miniran kot primarni material.

Germanij se najpogosteje proizvaja iz sfaleritnih cinkovih rud, vendar je znano tudi, da ga pridobivamo iz premoga za pepel (proizvedenih iz elektrarn na premog) in nekaterih bakrenih rud.

Ne glede na izvor materiala so vsi koncentrati germanija najprej prečiščeni s postopkom kloriranja in destilacije, ki proizvaja germanijev tetraklorid (GeCl4). Neminijev tetraklorid nato hidroliziramo in posušimo, pri čemer dobimo germanijev dioksid (GeO2). Oksid nato reduciramo z vodikom, da dobimo kovinski prah iz germanija.

Prašek iz germanijevega ulitka se dovaja v palice pri temperaturah nad 1720,85 ° F (938,25 ° C).

Razprševanje v coni (proces taljenja in hlajenja) se izolirajo in odstranjujejo nečistoče in v končni fazi proizvajajo germanijeve palice z visoko čistostjo. Gospodarska kovinska germanija je pogosto več kot 99,999% čista.

Germanij, rafiniran z zobmi, lahko nadalje gojimo v kristale, ki jih narežemo na tanke kose za polprevodnike in optične leče.

Geološka raziskava ZDA (USGS) je ocenila, da je svetovna proizvodnja germanija v letu 2011 približno 120 ton (vsebuje germanij).

Ocenjuje se, da se 30% svetovne letne proizvodnje germanija reciklira iz odpadnih materialov, kot so upokojitvene IR leče. Ocenjuje se, da se 60% germanija, ki se uporablja v sistemih IR, zdaj reciklira.

Največji proizvajalci germanija vodijo Kitajska, kjer sta bili v letu 2011 proizvedeni dve tretjini vseh germanija. Drugi večji proizvajalci so Kanada, Rusija, ZDA in Belgija.

Večji proizvajalci germanija vključujejo Teck Resources Ltd. , Yunnan Lincang Xinyuan Germanium Industrial Co, Umicore in Nanjing Germanium Co.

Aplikacije

V skladu z USGS se lahko aplikacije germanija razvrstijo v 5 skupin (ki jim sledi približno odstotek skupne porabe):

1. IR optika - 30%
2. Optična vlakna - 20%
3. Polietilen tereftalat (PET) - 20%
4. Elektronska in sončna energija - 15%
5. Fosforjev, metalurgije in organskih snovi - 5%

Kristali germanija se gojijo in oblikujejo v leče in okna za IR ali termične optične sisteme. Približno polovica vseh takšnih sistemov, ki so močno odvisni od vojaškega povpraševanja, vključujejo germanij.

Sistemi vključujejo majhne ročne naprave in naprave, nameščene na orožje, pa tudi sisteme, ki so nameščeni na vozilih, na kopnem in na morju. Prizadevamo si za rast komercialnega trga za sisteme IR, ki temeljijo na germaniju, na primer pri vozilih višjega razreda, vendar nevladne aplikacije še vedno predstavljajo le približno 12% povpraševanja.

Nematinijev tetraklorid se uporablja kot dopant ali aditiv za povečanje lomnega količnika v silikatnem jedru optičnih vlaken. Z vgradnjo germanija se lahko prepreči izgubo signala.

Oblike germanija se uporabljajo tudi v substratih za izdelavo PVC-jev za vesoljske (satelite) in prizemno proizvodnjo električne energije.

Germaniumove podlage tvorijo eno plast v večplastnih sistemih, ki uporabljajo tudi galijev, indij fosfid in galijev arzenid. Takšni sistemi, znani kot koncentrirana fotovoltaika (CPVs) zaradi njihove uporabe koncentriranih leč, ki povečajo sončno svetlobo, preden se pretvorijo v energijo, imajo visoke stopnje učinkovitosti, vendar so drage za proizvodnjo kot kristalni silikon ali baker-indij-galij- diselenid (CIGS) celice.

Vsako leto se kot polimerizacijski katalizator pri proizvodnji PET plastike uporablja približno 17 metričnih ton germanijevega dioksida. PET plastika se primarno uporablja v hrani, pijači in tekočih vsebnikih.

Kljub svoji neuspelosti kot tranzistor v petdesetih letih prejšnjega stoletja je germanij sedaj v tandemu s silicijem v tranzistorskih komponentah za nekatere mobilne telefone in brezžične naprave. SiGe tranzistorji imajo večje hitrosti preklapljanja in porabijo manj energije kot silikonska tehnologija. Ena končna uporaba za SiGe čipe je v avtomobilskih varnostnih sistemih.

Druge uporabe germanija v elektroniki vključujejo fazne pomnilniške čipe, ki zamenjajo pomnilniški pomnilnik v številnih elektronskih napravah zaradi svojih energetsko varčnih prednosti, pa tudi pri substratih, ki se uporabljajo pri proizvodnji LED.

_Viri:

_{USGS. 2010 Minerals Yearbook: Germanium. David E. Guberman.}
http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/germanium/

_{Trgovina z manjšimi kovinami (MMTA). Germanij}
http://www.mmta.co.uk/metals/Ge/

_{Muzej CK722. Jack Ward.}
http://www.ck722museum.com/