Germanium-ominaisuudet, historia ja sovellukset

Germanium on harvinainen, hopeanvärinen puolijohdemetalli, jota käytetään infrapunatekniikassa, valokuitukaapeleissa ja aurinkokennoissa.

• Atomisymboli: Ge
• Atominumero: 32
• Elementtiluokka: Metalloidi
• Tiheys: 5.323 g / cm3
• Sulamispiste: 1720,85 ° F (938,25 ° C).
• Kiehumispiste: 2833 ° C (5131 ° F)
• Mohsin kovuus: 6,0

Germanium luokitellaan teknisesti a metalloidi tai puolimetalli. Yksi ryhmä elementtejä, joilla on sekä metallien että ei-metallien ominaisuuksia.

Germanium on metallisessa muodossaan hopeanvärinen, kova ja hauras.

Germaniumin ainutlaatuisiin ominaisuuksiin kuuluu läpinäkyvyys lähi-infrapunasäteilyyn (aallonpituuksilla 1600-1800 nanometriä), sen korkea taitekerroin ja alhainen optinen dispersio.

Metalloidi on myös luonnostaan ​​puolijohtava.

Jaksotaulun isä Demitri Mendeleev ennusti elementtinumeron 32 olemassaoloa, jonka hän nimitti ekasilicon, vuonna 1869. Seitsemäntoista vuotta myöhemmin kemisti Clemens A. Winkler löysi ja eristi alkuaineen harvinaisesta mineraaliargyroditista (Ag8GeS6). Hän nimitti elementin kotimaansa Saksan mukaan.

1920-luvulla germaniumin sähköisten ominaisuuksien tutkiminen johti erittäin puhtaan yksikiteisen germaniumin kehittämiseen. Yksikiteistä germaniumia käytettiin tasasuuntausdiodeina mikroaaltotutkavastaanottimissa toisen maailmansodan aikana.

Ensimmäinen germaniumia koskeva kaupallinen sovellus tuli sodan jälkeen sen jälkeen, kun John Bardeen, Walter Brattain ja William Shockley keksivät transistorit Bell Labs -yrityksessä joulukuussa 1947. Seuraavina vuosina germaniumia sisältävät transistorit löysivät tien puhelinkeskuksiin, armeijan tietokoneisiin, kuulolaitteisiin ja kannettaviin radioihin.

Asiat alkoivat muuttua vuoden 1954 jälkeen, kun Gordon Teal Texas Instrumentsista keksi pii transistori. Germaaniumtransistoreilla oli taipumus epäonnistua korkeissa lämpötiloissa, ongelma, joka voitiin ratkaista piillä. Kunnes Tealia, kukaan ei ollut pystynyt tuottamaan riittävän puhdasta piitä germaniumin korvaamiseksi, mutta vuoden 1954 jälkeen piin aloitti germaniumin korvaamisen elektronisissa transistoreissa, ja 1960-luvun puoliväliin mennessä germaniumtransistorit olivat käytännössä olematon.

Uusien sovellusten oli määrä tulla. Germaniumin menestys varhaisissa transistoreissa johti lisätutkimukseen ja germaniumin infrapunaominaisuuksien toteutumiseen. Viime kädessä tämä johti siihen, että metalloidia käytettiin infrapunalinssien ja ikkunoiden avainkomponentina.

Ensimmäiset 1970-luvulla käynnistetyt Voyager-avaruustutkimusoperaatiot veivät piin-germanium (SiGe) -elektrosähköisten kennojen (PVC) tuottamaan voimaan. Germaniumipohjaiset PVC: t ovat edelleen kriittisiä satelliittitoimintojen kannalta.

Valokuituverkkojen kehitys ja laajennus 1990-luvulla johtivat lisääntyneeseen germaniumin kysyntään, jota käytetään kuituoptisten kaapeleiden lasisydämen muodostamiseen.

Vuoteen 2000 mennessä korkean hyötysuhteen PVC: stä ja germaniumisubstraateista riippuvaisista valodiodeista (LED) oli tullut elementin suuria kuluttajia.

Kuten useimmat pienemmät metallit, germanium tuotetaan epäjaloa metallien puhdistamisen sivutuotteena, eikä sitä louhita primaarimateriaaliksi.

Germaanium tuotetaan yleisimmin sphaleriitista sinkki malmit, mutta sen tiedetään myös olevan louhittu lentotuhkahiilestä (tuotettu hiilen voimalaitoksilla) ja muista kupari malmit.

Materiaalilähteestä riippumatta kaikki germaniumkonsentraatit puhdistetaan ensin klooraus- ja tislausmenetelmällä, joka tuottaa germaniumtetrakloridia (GeCl4). Germaniumtetrakloridi hydrolysoidaan ja kuivataan sitten, jolloin saadaan germaniumdioksidi (GeO2). Sitten oksidi pelkistetään vedyllä germaniummetallijauheen muodostamiseksi.

Germaaniumjauhetta valettiin tankoiksi yli 938,25 ° C (1720,85 ° F) lämpötiloissa.

Vyöhykkeen puhdistaminen (sulamis- ja jäähdytysprosessit) tankojen eristää ja poistaa epäpuhtaudet ja lopulta tuottaa erittäin puhdasta germanium baareja. Kaupallinen germaniummetalli on usein yli 99,999% puhdasta.

Vyöhykkeellä puhdistettua germaniumia voidaan edelleen kasvattaa kiteiksi, jotka leikataan ohuiksi paloiksi käytettäväksi puolijohteissa ja optisissa linsseissä.

Yhdysvaltain geologinen tutkimuslaitos (USGS) arvioi germaniumin maailmanlaajuisen tuotannon olevan noin 120 tonnia vuonna 2011 (sisälsi germaniumia).

Arviolta 30% maailman germaniumituotannosta kierrätetään romumateriaaleista, kuten IR-linsseistä. Arviolta 60% IR-järjestelmissä käytetystä germaniumista kierrätetään nyt.

Suurimpia germaniumia tuottavia maita johtaa Kiina, jossa kaksi kolmasosaa kaikista germaniumista tuotettiin vuonna 2011. Muita merkittäviä tuottajia ovat Kanada, Venäjä, USA ja Belgia.

Suurimpia germaniumin tuottajia ovat Teck Resources Ltd., Yunnan Lincang Xinyuan Germanium Industrial Co., Umicore ja Nanjing Germanium Co.

USGS: n mukaan germanium-sovellukset voidaan luokitella viiteen ryhmään (jota seuraa likimääräinen prosenttiosuus kokonaiskulutuksesta):

1. IR-optiikka - 30%
2. Kuituoptiikka - 20%
3. Polyeteenitereftalaatti (PET) - 20%
4. Elektroniikka ja aurinko - 15%
5. Fosforit, metallurgia ja orgaaniset komponentit - 5%

Germaaniumkiteitä kasvatetaan ja muodostetaan linsseiksi ja ikkunoiksi infrapuna- tai lämpökuvausoptisille järjestelmille. Noin puolet kaikista sellaisista järjestelmistä, jotka ovat voimakkaasti riippuvaisia ​​sotilaallisesta kysynnästä, sisältävät germaniumin.

Järjestelmiin kuuluvat pienet käsin pidettävät ja aseisiin asennettavat laitteet, samoin kuin ilma-, maa- ja meripohjaiset ajoneuvoihin asennettavat järjestelmät. Germaniumipohjaisten infrapunajärjestelmien, kuten huippuluokan autojen, kaupallisia markkinoita on pyritty kasvattamaan, mutta ei-sotilaallisten sovellusten osuus on edelleen vain noin 12% kysynnästä.

Germaaniumtetrakloridia käytetään lisäaineena - tai lisäaineena - taitekertoimen lisäämiseksi kuituoptisten linjojen silikalasisydämessä. Germaniumia sisällyttämällä signaalin häviäminen voidaan estää.

Germaniumimuotoja käytetään myös substraateissa PVC: ien tuottamiseksi sekä avaruuspohjaiselle (satelliitti) että maanpäälliselle sähköntuotannolle.

Germaniumsubstraatit muodostavat yhden kerroksen monikerroksisissa järjestelmissä, joissa käytetään myös galliumia, indiumfosfidia ja gallium arseeni. Tällaiset järjestelmät, joita kutsutaan väkevöitynä aurinkosähköksi (CPV), johtuvat siitä, että niissä käytetään keskityslinssejä, jotka suurentavat aurinkovaloa ennen kuin se on muunnettu energiaksi, niillä on korkea hyötysuhde, mutta niiden valmistus on kalliimpaa kuin kiteinen pii tai kupari-indium-gallium-diselenidi (CIGS) -solut.

Noin 17 tonnia germaniumdioksidia käytetään polymerointikatalysaattorina PET-muovien tuotannossa vuosittain. PET-muovia käytetään pääasiassa ruoka-, juoma- ja nestesäiliöissä.

Huolimatta epäonnistumisestaan ​​transistorina 1950-luvulla, germaniumia käytetään nyt yhdessä piin kanssa joidenkin matkapuhelimien ja langattomien laitteiden transistorikomponenteissa. SiGe-transistoreilla on suuremmat kytkentänopeudet ja ne käyttävät vähemmän virtaa kuin piipohjainen tekniikka. Yksi SiGe-sirujen loppukäyttösovellus on autojen turvajärjestelmissä.

Muita germaniumin käyttökohteita elektroniikassa ovat vaihemuistisirut, jotka korvaavat monissa flash-muistin elektroniset laitteet niiden energiansäästöetujen vuoksi, samoin kuin ledien valmistuksessa käytetyissä alustaissa.

_Lähteet:

_{USGS. Vuoden 2010 mineraalien vuosikirja: Germanium. David E. Guberman.}
http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/germanium/

_{Vähäismetallien kauppayhdistys (MMTA). germanium}
http://www.mmta.co.uk/metals/Ge/

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