Germanij je redka polprevodniška kovina srebrne barve, ki se uporablja v infrardeči tehnologiji, optičnih kablih in sončnih celicah.
Lastnosti
- Atomski simbol: Ge
- Atomska številka: 32
- Kategorija elementov: Metalloid
- Gostota: 5.323 g / cm3
- Tališče: 938,25 ° F
- Vrelišče: 2833 ° C
- Mohsova trdota: 6,0
Značilnosti
Tehnično je germanij razvrščen kot metalloid ali polkovina. Eden iz skupine elementov, ki imajo lastnosti tako kovin kot nekovin.
Germanij je v svoji kovinski obliki srebrne barve, trde in krhke.
Edinstvene značilnosti Germanija vključujejo njegovo preglednost za skoraj infrardeče elektromagnetno sevanje (pri valovnih dolžinah med 1600-1800 nanometrov), visok indeks loma in nizek optični disperzija.
Metalloid je tudi sam po sebi polprevodniški.
Zgodovina
Demitri Mendeleev, oče periodične tabele, je napovedal obstoj elementa številka 32, ki ga je imenoval ekasilicon, leta 1869. Sedemnajst let kasneje je kemik Clemens A. Winkler je odkril in izoliral element iz redkega mineralnega argyrodita (Ag8GeS6). Element je poimenoval po svoji domovini, Nemčiji.
V dvajsetih letih prejšnjega stoletja so raziskave električnih lastnosti germanija povzročile razvoj enoličnega kristalnega germanija visoke čistosti. Enokristalni germanij se je med drugo svetovno vojno uporabljal kot usmerjalne diode v mikrovalovnih radarskih sprejemnikih.
Prva komercialna prijava za germanij je prišla po vojni, potem ko so decembra 1947 v Bell Labs izumili tranzistorje John Bardeen, Walter Brattain in William Shockley. V naslednjih letih so tranzistorji, ki vsebujejo germanij, našli pot do opreme za telefonsko preklapljanje, vojaških računalnikov, slušnih aparatov in prenosnih radijskih sprejemnikov.
Stvari so se začele spreminjati po letu 1954, ko pa je Gordon Teal iz Texas Instruments izumil silicij tranzistor. Germanijevi tranzistorji so se nagnili k visokim temperaturam, kar je bilo mogoče rešiti s silicijem. Do Teal nihče ni mogel proizvesti silicija z dovolj visoko čistostjo, da bi nadomestil germanij, a po letu 1954 silicij začel nadomeščati germanij v elektronskih tranzistorjih, do sredine 60. let prejšnjega stoletja pa so bili germanijski tranzistorji praktično neobstoječe.
Prihajale so nove prijave. Uspeh germanija v zgodnjih tranzistorjih je privedel do več raziskav in uresničevanja germanovih infrardečih lastnosti. Na koncu je metalloid uporabljen kot ključna sestavina infrardečih (IR) leč in oken.
Prve misije za vesoljske raziskave Voyager, ki so se začele v 70. letih prejšnjega stoletja, so temeljile na moči, ki jo proizvajajo fotovoltaične celice silicij-germanij (SiGe) (PVC). PVC-ji na osnovi germanija so še vedno kritični do satelitskih operacij.
Razvoj in širitev ali optična omrežja v devetdesetih letih prejšnjega stoletja so povzročila povečano povpraševanje po germaniju, ki se uporablja za oblikovanje steklenega jedra iz optičnih kablov.
Do leta 2000 so visoko učinkoviti PVC-ji in svetleče diode (LED), odvisne od germanijevih podlag, postali veliki porabniki elementa.
Proizvodnja
Tako kot večina manjših kovin se tudi germanij proizvaja kot stranski produkt rafiniranja navadnih kovin in ga ne rudijo kot primarni material.
Germanij najpogosteje nastaja iz sfalerita cink rude, znano pa je tudi, da se pridobiva iz premoga iz pepela (proizvedenega iz elektrarn na premog) in nekaterih baker rude
Ne glede na vir materiala se vsi germanijevi koncentrati najprej očistijo s postopkom kloriranja in destilacije, ki proizvaja germanijev tetraklorid (GeCl4). Nato se germanijev tetraklorid hidrolizira in posuši, pri čemer nastane germanijev dioksid (GeO2). Nato se oksid reducira z vodikom, da nastane kovinski prah germanij.
Germanijev prah se vliva v bare pri temperaturi nad (938,25 ° C) nad 1720,85 ° F.
Območno rafiniranje (postopek taljenja in hlajenja) palice izolira in odstranjuje nečistoče in na koncu proizvaja germanij palice visoke čistosti. Trgovinska kovina germanija je pogosto več kot 99,999% čista.
Območno rafiniran germanij lahko dodatno zrastemo v kristale, ki jih narežemo na tanke koščke za uporabo v polprevodnikih in optičnih lečah.
Ameriški geološki zavod (USGS) je globalno proizvodnjo germanija v letu 2011 ocenil na približno 120 metrskih ton (vseboval je germanij).
Približno 30% svetovne proizvodnje germanija se reciklira iz odpadnih materialov, kot so upokojene IR leče. Približno 60% germanija, ki se uporablja v IR sistemih, se zdaj reciklira.
Največje države, ki proizvajajo germanij, vodi Kitajska, kjer so v letu 2011 proizvedli dve tretjini vsega germanija. Drugi glavni proizvajalci so Kanada, Rusija, ZDA in Belgija.
Glavni proizvajalci germanija vključujejo Teck Resources Ltd., Yunnan Lincang Xinyuan Germanium Industrial Co, Umicore in Nanjing Germanium Co.
Prijave
Glede na USGS lahko aplikacije za germanij razvrstimo v 5 skupin (sledi približno odstotek celotne porabe):
- IR optika - 30%
- Optična vlakna - 20%
- Polietilen tereftalat (PET) - 20%
- Elektronski in sončni - 15%
- Fosfor, metalurgija in organsko - 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 vojaške zahteve, vključuje germanij.
Sistemi vključujejo majhne ročne in orožje nameščene naprave, pa tudi zračne, kopenske in morske sisteme, nameščene na vozilih. Prizadevali smo si za rast tržnega trga za IR-sisteme, ki temeljijo na germaniju, na primer v avtomobilih višjega cenovnega razreda, vendar pa neimenitarne aplikacije še vedno predstavljajo le okoli 12% povpraševanja.
Germanijev tetraklorid se uporablja kot dodatek - ali dodatek - za povečanje indeksa loma v jedru iz kremenčevega stekla vlakenskih optičnih vodov. Z vključitvijo germanija preprečimo izgubo signala.
Oblike germanija se uporabljajo tudi v substratih za izdelavo PVC-jev tako za vesolje (satelite) kot za zemeljsko proizvodnjo energije.
Germanijevi substrati tvorijo eno plast v večplastnih sistemih, ki uporabljajo tudi galij, indijev fosfid in galija arsenid. Takšni sistemi, imenovani koncentrirani fotovoltaiki (CPV) zaradi uporabe koncentričnih leč, ki povečujejo sončno svetlobo, preden je pretvarjajo se v energijo, imajo visoko učinkovitost, vendar so dražja za proizvodnjo kot kristalni silicij ali baker-indij-galij-diselenid (CIGS) celice.
Približno 17 metrskih ton germanijevega dioksida se vsako leto uporabi kot katalizator za polimerizacijo pri proizvodnji PET plastike. PET plastika se uporablja predvsem v posodah za hrano, pijače in tekočine.
Kljub neuspešnosti tranzistorja v petdesetih letih prejšnjega stoletja se germanij zdaj uporablja v tandemu s silicijem v komponentah tranzistorjev za nekatere mobilne telefone in brezžične naprave. SiGe tranzistorji imajo večje hitrosti preklapljanja in porabijo manj energije kot tehnologija na osnovi silicija. Ena končna uporaba za SiGe čipe je v avtomobilskih varnostnih sistemih.
Druge uporabe germanija v elektroniki vključujejo črtne fazne pomnilniške čipe, ki v mnogih nadomestijo bliskovni pomnilnik elektronskih naprav zaradi njihovih prihrankov energije, pa tudi v podlagah, ki se uporabljajo pri proizvodnji LED.
Viri:
USGS. Letopis za minerale 2010: Germanij. David E. Guberman.
http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/germanium/
Združenje za trgovino z malimi kovinami (MMTA). Germanij
http://www.mmta.co.uk/metals/Ge/
Muzej CK722 Jack Ward.
http://www.ck722museum.com/