Aflați mai multe despre germaniu

Obțineți informații despre proprietăți, istoric, producție și aplicații

Germanium este un metal semiconductor de culoare argintie, de culoare argintie, folosit in tehnologia infrarosu, cabluri cu fibra optica si celule solare.

Proprietăți

• Simbol Atomic: Ge
• Număr atomic: 32
• Element Categorie: Metalloid
• Densitate: 5,323 g / cm3
• Punct de topire: 938,25 ° C
• Punct de fierbere: 5131 ° F (2833 ° C)
• Duritate Mohs: 6,0

caracteristici

Din punct de vedere tehnic, germaniul este clasificat ca metaloid sau semimetal. Unul dintr-un grup de elemente care posedă proprietăți atât de metale, cât și de nemetale.

În forma sa metalică, germaniul este de culoare argintie, dur și fragil.

Caracteristicile unice ale Germanium includ transparența sa la radiațiile electromagnetice near infraroșu (la lungimi de undă între 1600-1800 nanometri), indicele său de refracție ridicat și dispersia optică redusă.

Metalloidul este, de asemenea, semiconductiv intrinsec.

Istorie

Demitri Mendeleev, tatăl mesei periodice, a prezis existența elementului numărul 32, pe care el la numit ecasilicon , în 1869. La șaptesprezece ani mai târziu, chimistul Clemens A. Winkler a descoperit și a izolat elementul din argroditul mineral rar (Ag8GeS6). El a numit elementul după patria sa, Germania.

În anii 1920, cercetarea proprietăților electrice ale germaniului a dus la dezvoltarea de germaniu cu cristal de înaltă puritate. Germeniul cu un singur cristal a fost utilizat ca diode rectificatoare în receptoarele radar cu microunde în timpul celui de-al doilea război mondial.

Prima aplicație comercială pentru germaniu a venit după război, urmând invenția de tranzistori de John Bardeen, Walter Brattain și William Shockley la Bell Labs în decembrie 1947.

În anii următori, tranzistorii cu conținut de germaniu și-au găsit drumul în echipamente de comutare telefonică, computere militare, aparate auditive și radiouri portabile.

Lucrurile au început să se schimbe după 1954, totuși, când Gordon Teal de la Texas Instruments a inventat un tranzistor de siliciu . Tranzistorii germani au avut tendința de a eșua la temperaturi ridicate, o problemă care ar putea fi rezolvată cu siliciu.

Până la Teal, nimeni nu a reușit să producă siliciu cu o puritate suficient de mare pentru a înlocui germaniul, dar după 1954 siliciul a început să înlocuiască germaniul în tranzistori electronici, iar la mijlocul anilor '60, tranzistorii de germaniu erau practic inexistenți.

Trebuie să vină noi cereri. Succesul germaniului în tranzistoarele timpurii a condus la mai multă cercetare și la realizarea proprietăților infraroșu ale Germaniei. În cele din urmă, acest lucru a dus la utilizarea metalelor ca o componentă-cheie a lentilelor și ferestrelor în infraroșu (IR).

Primele misiuni de explorare spațială Voyager lansate în anii 1970 s-au bazat pe puterea produsă de celulele fotovoltaice din silicon-germaniu (SiGe). PVC-urile bazate pe germaniu sunt încă critice pentru operațiile prin satelit.

Dezvoltarea și extinderea rețelelor de fibră optică din anii 1990 au condus la creșterea cererii de germaniu, care este utilizat pentru a forma miezul de sticlă al cablurilor cu fibră optică.

Până în anul 2000, PVC-urile de înaltă eficiență și diodele emise de lumină (LED-uri), dependente de substraturile de germaniu, au devenit consumatori mari ai elementului.

producere

Ca și majoritatea metalelor minore, germaniul este produs ca produs secundar al rafinării metalelor de bază și nu este extras ca material primar.

Germaniul este cel mai frecvent produs din minereurile de zinc din sphalerite, dar este, de asemenea, cunoscut că este extras din cărbune de cenușă (produs din centrale electrice de cărbune) și din minereuri de cupru .

Indiferent de sursa de material, toate concentratele de germaniu sunt mai întâi purificate utilizând un procedeu de clorurare și de 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 pulberea de metal germaniu.

Pulveriul germaniu este turnat în bare la temperaturi de peste 938,25 ° C.

Rafinarea zonei (un proces de topire și răcire) barele izolează și elimină impuritățile și, în cele din urmă, produc bare de germaniu de înaltă puritate. Metalul germaniu comercial este adesea mai mult de 99,999% pur.

Germaniul rafinat din zonă poate fi cultivat în continuare 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 US Geoscience Survey (USGS) pentru aproximativ 120 de tone în 2011 (conținând germaniu).

Se estimează că 30% din producția anuală de germaniu din lume este reciclată din materiale uzate, cum ar fi lentilele IR retrase. Se estimează că 60% din germaniu utilizat în sistemele IR este reciclat.

Cele mai mari națiuni producătoare de germaniu sunt conduse de China, unde două treimi din tot germaniul a fost produs în 2011. Alți producători majori includ Canada, Rusia, SUA și Belgia.

Producătorii germani majori includ Teck Resources Ltd. , Yunnan Lincang Xinyuan Germanium Industrial Co., Umicore și Nanjing Germanium Co.

Aplicații

Potrivit USGS, aplicațiile de germaniu pot fi clasificate în 5 grupe (urmate de un procent aproximativ din consumul total):

1. Optica IR - 30%
2. Fibra optica - 20%
3. Polietilen tereftalat (PET) - 20%
4. Electronice și solare - 15%
5. Fosforii, metalurgia și organica - 5%

Cristalele de germeni sunt cultivate și formate în lentile și ferestre pentru sisteme optice IR sau termice. Aproximativ jumătate din toate aceste sisteme, care sunt puternic dependente de cererea militară, includ germaniul.

Sistemele includ dispozitive mici de mână și dispozitive de arme, precum și sisteme de montare pe vehicule aeriene, terestre și maritime. S-au depus eforturi pentru a crește piața comercială a sistemelor IR bazate pe germaniu, cum ar fi în cazul automobilelor de vârf, însă aplicațiile nonmilitare reprezintă încă doar aproximativ 12% din cerere.

Tetraclorura de germaniu este utilizată ca agent dopant sau aditiv pentru a crește indicele de refracție în miezul de sticlă de silice din fibră optică. Prin încorporarea germaniului, se poate preveni pierderea semnalului.

Forme de germaniu sunt de asemenea folosite în substraturi pentru a produce PVC-uri atât pentru generarea de energie în spațiu (sateliți), cât și pentru producerea de energie terestră.

Substraturile germanium formează un strat în sisteme multistrat care utilizează de asemenea galiu, fosfură de indiu și arsenid de galiu. Astfel de sisteme, cunoscute ca fotovoltaice concentrate (CPV) datorită utilizării lor de lentile de concentrare care mărește lumina solară înainte de a fi convertite în energie, au niveluri de eficiență ridicată, dar sunt mai costisitoare pentru fabricare decât siliciul cristalin sau indiu-galiu- diselenide (CIGS).

Aproximativ 17 tone metrice de dioxid de germaniu se utilizează ca catalizator de polimerizare în producția de materiale plastice PET în fiecare an. PET-ul este utilizat în principal în recipientele pentru alimente, băuturi și lichide.

În ciuda eșecului său ca tranzistor în anii 1950, germaniul este utilizat acum în tandem cu siliciul în componentele tranzistorului pentru unele telefoane mobile și dispozitive fără fir. Tranzistoarele SiGe au viteze mai mari de comutare și folosesc mai puțină energie decât tehnologia bazată pe siliciu. O aplicație de utilizare finală pentru chips-uri SiGe este în sistemele de siguranță auto.

Alte utilizări pentru germaniu în electronică includ cipurile de memorie de fază, care înlocuiesc memoria flash în multe dispozitive electronice datorită beneficiilor lor de economisire a energiei, precum și în substraturile utilizate în producția de LED-uri.

_surse:

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

_{Minor Trade Metals Association (MMTA). germaniu}
http://www.mmta.co.uk/metals/Ge/

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