Właściwości germanu, historia i zastosowania

German jest rzadkim metalem półprzewodnikowym w kolorze srebrnym, stosowanym w technologii podczerwieni, kablach światłowodowych i ogniwach słonecznych.

• Symbol atomowy: Ge
• Liczba atomowa: 32
• Kategoria elementu: metaloid
• Gęstość: 5.323 g / cm3
• Temperatura topnienia: 938,25 ° C (1720.85 ° F)
• Temperatura wrzenia: 5331 ° F (2833 ° C)
• Twardość w skali Mohsa: 6,0

Z technicznego punktu widzenia german jest klasyfikowany jako półmetal lub półmetal. Jedna z grupy elementów posiadających właściwości zarówno metali, jak i niemetali.

W swojej metalicznej formie german ma srebrny kolor, jest twardy i łamliwy.

Unikalne cechy germanu obejmują jego przezroczystość na promieniowanie elektromagnetyczne w bliskiej podczerwieni (przy długości fali między 1600–1800 nanometrów), jego wysoki współczynnik załamania światła i jego niski poziom optyczny dyspersja.

Metaloid jest również z natury półprzewodnikowy.

Demitri Mendelejew, ojciec układu okresowego, przewidział istnienie elementu nr 32, który nazwał

W latach dwudziestych badania właściwości elektrycznych germanu zaowocowały powstaniem monokrystalicznego germanu o wysokiej czystości. Jednokrystaliczny german wykorzystano jako diody prostownicze w mikrofalowych odbiornikach radarowych podczas II wojny światowej.

Pierwsze komercyjne zastosowanie germanu pojawiło się po wojnie, po wynalezieniu tranzystorów przez Johna Bardeen, Waltera Brattaina i Williama Shockleya w Bell Labs w grudniu 1947 roku. W następnych latach tranzystory zawierające german znalazły drogę do aparatury telefonicznej, komputerów wojskowych, aparatów słuchowych i przenośnych radiotelefonów.

Wszystko zaczęło się zmieniać po 1954 roku, kiedy Gordon Teal z Texas Instruments wynalazł krzem tranzystor. Tranzystory germanu miały tendencję do awarii w wysokich temperaturach, problem, który można rozwiązać za pomocą krzemu. Do czasu Teal nikt nie był w stanie wyprodukować krzemu o wystarczająco wysokiej czystości, aby zastąpić german, ale po 1954 roku krzem zaczął zastępować german w tranzystorach elektronicznych, aw połowie lat sześćdziesiątych tranzystory germanu były praktycznie nie istnieje.

Nowe aplikacje miały nadejść. Sukces germanu we wczesnych tranzystorach doprowadził do dalszych badań i realizacji właściwości germanu w podczerwieni. Ostatecznie spowodowało to, że metaloid został użyty jako kluczowy element soczewek i okien na podczerwień.

Pierwsze misje kosmiczne Voyager rozpoczęte w latach 70. XX wieku opierały się na energii wytwarzanej przez ogniwa fotowoltaiczne krzemu-germanu (SiGe). PVC na bazie germanu nadal mają kluczowe znaczenie dla operacji satelitarnych.

Rozwój i ekspansja lub sieci światłowodowe w latach 90. doprowadziły do ​​zwiększonego popytu na german, który służy do formowania szklanego rdzenia kabli światłowodowych.

Do 2000 r. Wysokowydajne PCW i diody elektroluminescencyjne (LED) zależne od podłoży germanowych stały się dużymi odbiorcami tego pierwiastka.

Podobnie jak większość metali mniejszych, german jest wytwarzany jako produkt uboczny rafinacji metali nieszlachetnych i nie jest wydobywany jako materiał pierwotny.

German jest najczęściej wytwarzany ze sfalerytu cynk rudy, ale wiadomo również, że są wydobywane z popiołu lotnego (wytwarzanego z elektrowni węglowych) i niektórych miedź rudy.

Niezależnie od źródła materiału wszystkie koncentraty germanu są najpierw oczyszczane przy użyciu procesu chlorowania i destylacji, w wyniku którego powstaje czterochlorek germanu (GeCl4). Czterochlorek germanu jest następnie hydrolizowany i suszony, wytwarzając dwutlenek germanu (GeO2). Tlenek jest następnie redukowany wodorem z wytworzeniem proszku metalu germanowego.

Proszek germanu wlewa się do sztabek w temperaturach powyżej 938,25 ° C.

Rafinacja strefowa (proces topienia i chłodzenia) pręty izolują i usuwają zanieczyszczenia, a ostatecznie wytwarzają pręty germanowe o wysokiej czystości. Komercyjny german jest często czysty w ponad 99,999%.

Strefowo rafinowany german może być dalej hodowany w kryształy, które są krojone na cienkie kawałki do użytku w półprzewodnikach i soczewkach optycznych.

Globalna produkcja germanu została oszacowana przez US Geological Survey (USGS) na około 120 ton metrycznych w 2011 r. (Zawierała german).

Szacuje się, że 30% rocznej światowej produkcji germanu jest przetwarzane ze złomu, takiego jak wycofane soczewki IR. Szacuje się, że 60% germanu wykorzystywanego w systemach IR jest obecnie poddawane recyklingowi.

Największe narody produkujące german są pod przewodnictwem Chin, gdzie dwie trzecie całego germanu wyprodukowano w 2011 roku. Inni główni producenci to Kanada, Rosja, USA i Belgia.

Do głównych producentów germanu należą Teck Resources Ltd., Yunnan Lincang Xinyuan Germanium Industrial Co., Umicore i Nanjing Germanium Co.

Według USGS aplikacje germanowe można podzielić na 5 grup (a następnie przybliżony procent całkowitego zużycia):

1. Optyka na podczerwień - 30%
2. Światłowody - 20%
3. Politereftalan etylenu (PET) - 20%
4. Elektroniczne i słoneczne - 15%
5. Fosfory, hutnictwo i organiczne - 5%

Kryształy germanu są hodowane i formowane w soczewki i okienko dla systemów optycznych IR lub termowizyjnych. Około połowa wszystkich takich systemów, które są silnie uzależnione od popytu wojskowego, obejmuje german.

Systemy obejmują małe ręczne i montowane na broni urządzenia, a także powietrzne, lądowe i morskie systemy montowane na pojazdach. Podjęto wysiłki, aby rozwinąć rynek komercyjny dla systemów IR opartych na germanie, takich jak samochody wyższej klasy, ale zastosowania pozamilitarne nadal stanowią jedynie około 12% popytu.

Czterochlorek germanu jest stosowany jako domieszka - lub dodatek - w celu zwiększenia współczynnika załamania światła w rdzeniu ze szkła krzemionkowego linii światłowodowych. Włączając german, można zapobiec utracie sygnału.

Formy germanu są również stosowane w podłożach do produkcji PCW zarówno do wytwarzania energii kosmicznej (satelity), jak i naziemnego.

Podłoża germanu tworzą jedną warstwę w układach wielowarstwowych, w których również stosuje się fosforek galu, indu i gal arsenek. Takie systemy, zwane skoncentrowanymi ogniwami fotowoltaicznymi (CPV) ze względu na zastosowanie soczewek koncentrujących, które powiększają światło słoneczne, zanim zostanie przekształcone w energię, mają wysoki poziom wydajności, ale są bardziej kosztowne w produkcji niż krzem krystaliczny lub dislenek miedziowo-indowo-galowy (CIGS) komórki.

Około 17 ton metrycznych ditlenku germanu jest wykorzystywanych jako katalizator polimeryzacji w produkcji tworzyw PET rocznie. Tworzywa PET są przede wszystkim stosowane w pojemnikach na żywność, napoje i płyny.

Pomimo awarii jako tranzystor w latach 50. german jest obecnie stosowany w połączeniu z krzemem w elementach tranzystorowych w niektórych telefonach komórkowych i urządzeniach bezprzewodowych. Tranzystory SiGe mają większe prędkości przełączania i zużywają mniej energii niż technologia oparta na krzemie. Jedną z aplikacji końcowych układów scalonych SiGe są samochodowe systemy bezpieczeństwa.

Inne zastosowania germanu w elektronice obejmują układy pamięci w fazie, które w wielu przypadkach zastępują pamięć flash urządzenia elektroniczne ze względu na ich energooszczędne korzyści, a także w podłożach używanych do produkcji diod LED.

_Źródła:

_{USGS. Rocznik minerałów 2010: German. David E. Guberman.}
http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/germanium/

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

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