Få oplysninger om egenskaberne, historien, produktionen og applikationerne
Germanium er et sjældent, sølvfarvet halvleder-metal, der anvendes i infrarød teknologi, fiberoptiske kabler og solceller.
Ejendomme
- Atomisk symbol: Ge
- Atomisk nummer: 32
- Element Kategori: Metalloid
- Tæthed: 5.323 g / cm3
- Smeltepunkt: 1720,85 ° F (938,25 ° C)
- Kogepunkt: 5131 ° F (2833 ° C)
- Mohs hårdhed: 6,0
Egenskaber
Teknisk er germanium klassificeret som en metalloid eller semi-metal. En af en gruppe af elementer, der besidder egenskaber af både metaller og ikke-metaller.
I sin metalliske form er germanium sølvfarvet, hårdt og skørt.
Germaniums unikke egenskaber omfatter dets gennemsigtighed til nær infrarød elektromagnetisk stråling (ved bølgelængder mellem 1600-1800 nanometer), dets høje brydningsindeks og dets lave optiske dispersion.
Metalloid er også iboende halvledende.
Historie
Demitri Mendeleev, faderen til det periodiske bord, forudsagde eksistensen af element nummer 32, som han kaldte ekasilicon , i 1869. 17 år senere opdagede kemikeren Clemens A. Winkler elementet fra den sjældne mineralargyrodit (Ag8GeS6). Han hedder elementet efter sit hjemland, Tyskland.
I løbet af 1920'erne resulterede undersøgelsen af germaniums elektriske egenskaber i udviklingen af høj renhed, single-crystal germanium. Enkeltkrystal germanium blev anvendt som rettelsesdioder i mikrobølgerådgivere under anden verdenskrig.
Den første kommercielle ansøgning om germanium kom efter krigen efter opfindelsen af transistorer af John Bardeen, Walter Brattain og William Shockley i Bell Labs i december 1947.
I de følgende år fandt germaniumholdige transistorer sig i telefonudstyr, militære computere, høreapparater og bærbare radioer.
Ting begyndte at ændre sig efter 1954, da Gordon Teal fra Texas Instruments opfandt en siliciumtransistor . Germanium transistorer havde en tendens til at fejle ved høje temperaturer, et problem, der kunne løses med silicium.
Indtil Teal havde ingen været i stand til at producere silicium med en høj nok renhed til at erstatte germanium, men efter 1954 begyndte silicium at erstatte germanium i elektroniske transistorer, og i midten af 1960'erne var germanium-transistorer stort set ikke-eksisterende.
Nye applikationer skulle komme. Tysklands succes i tidlige transistorer førte til mere forskning og realisering af germaniums infrarøde egenskaber. I sidste ende resulterede dette i, at metalloid blev brugt som en nøglekomponent af infrarøde (IR) linser og vinduer.
De første Voyager-rumforskningsopgaver, der blev lanceret i 1970'erne, var baseret på kraft produceret af silicium-germanium (SiGe) fotovoltaiske celler (PVCs). Germanium-baserede PVC'er er stadig afgørende for satellitoperationer.
Udviklings- og ekspansions- eller fiberoptiske netværk i 1990'erne førte til øget efterspørgsel efter germanium, som bruges til at danne glaskerne i fiberoptiske kabler.
I 2000 blev højeffektiv PVC'er og lysdioder (LED'er), der var afhængige af germaniumsubstrater, blevet store forbrugere af elementet.
Produktion
Som de fleste mindre metaller fremstilles germanium som et biprodukt af metalmetalraffinering og er ikke udvundet som et primært materiale.
Germanium fremstilles mest af sphalerit zinkmalme, men det vides også at blive ekstraheret fra flyveaskul (produceret fra kulkraftværker) og nogle kobbermalmer .
Uanset materialekilden renses alle germaniumkoncentrater først ved anvendelse af en chlorerings- og destillationsproces, der producerer germaniumtetrachlorid (GeCl4). Germaniumtetrachlorid hydrolyseres derefter og tørres, hvilket producerer germaniumdioxid (GeO2). Oxidet reduceres derefter med hydrogen for at danne germaniummetallpulver.
Germaniumpulver støbes i stænger ved temperaturer over 1720,85 ° F (938,25 ° C).
Zone-raffinering (en smeltnings- og afkølingsproces) stængerne isolerer og fjerner urenheder og producerer i sidste ende germaniumstænger med høj renhed. Kommercielt germaniummetal er ofte mere end 99,999% rent.
Zone-raffineret germanium kan yderligere dyrkes i krystaller, der er skåret i tynde stykker til brug i halvledere og optiske linser.
Den globale produktion af germanium blev estimeret af US Geological Survey (USGS) til ca. 120 tons i 2011 (indeholdt germanium).
Anslået 30% af verdens årlige germaniumproduktion genbruges fra skrotmaterialer, såsom pensioneret IR-objektiver. Anslået 60% af germanium anvendt i IR-systemer er nu genbrugt.
De største germaniumproducerende lande ledes af Kina, hvor to tredjedele af alle germanium blev produceret i 2011. Andre store producenter omfatter Canada, Rusland, USA og Belgien.
Store germaniumproducenter omfatter Teck Resources Ltd. , Yunnan Lincang Xinyuan Germanium Industrial Co., Umicore og Nanjing Germanium Co.
Applikationer
Ifølge USGS kan germanium-applikationer klassificeres i 5 grupper (efterfulgt af en omtrentlig procentdel af det samlede forbrug):
- IR optik - 30%
- Fiberoptik - 20%
- Polyethylenterephthalat (PET) - 20%
- Elektronisk og sol - 15%
- Fosforer, metallurgi og organisk - 5%
Germaniumkrystaller dyrkes og formes til linser og vinduer til optiske eller optiske IR-systemer. Omkring halvdelen af alle sådanne systemer, som er stærkt afhængige af militær efterspørgsel, omfatter germanium.
Systemer omfatter små håndholdte og våbenmonterede enheder samt luft-, land- og havbaserede køretøjsmonterede systemer. Der er gjort en indsats for at vokse det kommercielle marked for germaniumbaserede IR-systemer, såsom i high-end biler, men ikke-militære applikationer tegner sig kun for omkring 12% af efterspørgslen.
Germanium tetrachlorid anvendes som dopemiddel - eller additiv - for at øge brydningsindekset i silicaglaskerne i fiberoptiske linjer. Ved at inkorporere germanium kan signalforebyggelse forhindres.
Former af germanium anvendes også i substrater til fremstilling af PVC'er til både rumbaserede (satellitter) og jordbaserede kraftproduktion.
Germaniumsubstrater udgør et lag i flerlagssystemer, der også bruger gallium, indiumphosphid og galliumarsenid. Sådanne systemer, der er kendt som koncentrerede solceller (CPV'er) på grund af deres brug af koncentrerende linser, der forstørrer sollyset, inden det omdannes til energi, har højeffektive niveauer, men er mere kostbare at fremstille end krystallinsk silicium eller kobber-indium-gallium- diselenid-celler (CIGS).
Omkring 17 tons germaniumdioxid anvendes hvert år som polymeriseringskatalysator til produktion af PET-plast. PET plast anvendes primært i fødevarer, drikkevarer og flydende beholdere.
På trods af dets svigt som en transistor i 1950'erne, er germanium nu brugt sammen med silicium i transistorkomponenter til nogle mobiltelefoner og trådløse enheder. SiGe transistorer har større switchhastigheder og bruger mindre strøm end siliciumbaseret teknologi. En slutbrugsanvendelse til SiGe-chips er i bilsikkerhedssystemer.
Andre anvendelser til germanium i elektronik indbefatter i fasehukommelseschips, som erstatter flashhukommelse i mange elektroniske enheder på grund af deres energibesparende fordele såvel som i underlag, der anvendes til fremstilling af lysdioder.
Kilder:
USGS. 2010 Mineraler Årbog: Germanium. David E. Guberman.
http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/germanium/
Minor Metals Trade Association (MMTA). Germanium
http://www.mmta.co.uk/metals/Ge/
CK722 Museum. Jack Ward.
http://www.ck722museum.com/