Właściwości, historia i zastosowania germanu
Sztabka metalicznego germanu. Prawa autorskie do zdjęć Strategic Metal Investments Ltd.
German to rzadki metal półprzewodnikowy w kolorze srebrnym, który jest używany w technologii podczerwieni, kablach światłowodowych i ogniwach słonecznych.
Nieruchomości
- Symbol atomowy: Ge
- Liczba atomowa: 32
- Kategoria elementu: Metaloid
- Gęstość: 5,323 g/cm3
- Temperatura topnienia: 1720,85 ° F (938,25 ° C)
- Temperatura wrzenia: 5131 ° F (2833 ° C)
- Twardość Mohsa: 6,0
Charakterystyka
Technicznie german jest klasyfikowany jako półmetal lub półmetalowe. Jeden z grupy pierwiastków, które posiadają właściwości zarówno metali jak i niemetali.
W postaci metalicznej german ma kolor srebrny, jest twardy i kruchy.
Unikalne cechy germanu obejmują jego przezroczystość dla promieniowania elektromagnetycznego bliskiej podczerwieni (przy długości fali między 1600-1800 nanometrów), wysoki współczynnik załamania światła i niską dyspersję optyczną.
Metaloid jest również samoistnie półprzewodnikowy.
Historia
Demitri Mendelejew, ojciec układu okresowego, przewidział istnienie pierwiastka numer 32, który nazwał ekasilikon , w 1869. Siedemnaście lat później chemik Clemens A. Winkler odkrył i wyizolował pierwiastek z rzadkiego minerału argyrodytu (Ag8GeS6). Nazwał ten żywioł po swojej ojczyźnie, Niemczech.
W latach dwudziestych badania nad właściwościami elektrycznymi germanu zaowocowały opracowaniem monokrystalicznego germanu o wysokiej czystości. Monokrystaliczny german był używany jako diody prostownicze w mikrofalowych odbiornikach radarowych podczas II wojny światowej.
Pierwsze komercyjne zastosowanie germanu pojawiło się po wojnie, po wynalezieniu tranzystorów przez Johna Bardeena, Waltera Brattaina i Williama Shockleya w Bell Labs w grudniu 1947 roku. W następnych latach tranzystory zawierające german znalazły drogę do urządzeń telefonicznych , komputery wojskowe, aparaty słuchowe i przenośne radia.
Sytuacja zaczęła się jednak zmieniać po 1954 roku, kiedy Gordon Teal z Texas Instruments wynalazł krzem tranzystor. Tranzystory germanowe miały tendencję do zawodności w wysokich temperaturach, problem, który można było rozwiązać za pomocą krzemu. Przed Teal nikt nie był w stanie wyprodukować krzemu o wystarczająco wysokiej czystości, aby zastąpić german, ale po 1954 r. krzem zaczął zastępować german w tranzystorach elektronicznych, a do połowy lat 60. tranzystory germanowe praktycznie nie istniały.
Miały pojawić się nowe aplikacje. Sukces germanu we wczesnych tranzystorach doprowadził do dalszych badań i realizacji właściwości germanu w podczerwieni. Ostatecznie doprowadziło to do wykorzystania metaloidu jako kluczowego składnika soczewek i okien na podczerwień (IR).
Pierwsze misje eksploracji kosmosu Voyager wystrzelone w latach 70. opierały się na energii wytwarzanej przez krzemowo-germanowe (SiGe) ogniwa fotowoltaiczne (PVC). PVC na bazie germanu nadal mają kluczowe znaczenie dla operacji satelitarnych.
Rozwój i ekspansja lub sieci światłowodowe w latach 90. doprowadziły do zwiększonego zapotrzebowania na german, który jest używany do tworzenia szklanego rdzenia kabli światłowodowych.
Do 2000 roku wysokowydajne PVC i diody elektroluminescencyjne (LED) zależne od substratów germanowych stały się dużymi konsumentami tego pierwiastka.
Produkcja
Podobnie jak większość drobnych metali, 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 węgla (produkowanego w elektrowniach węglowych) i niektórych miedź rudy.
Niezależnie od źródła materiału, wszystkie koncentraty germanu są najpierw oczyszczane za pomocą procesu chlorowania i destylacji, w wyniku którego powstaje tetrachlorek germanu (GeCl4). Tetrachlorek germanu jest następnie hydrolizowany i suszony, w wyniku czego powstaje dwutlenek germanu (GeO2). Tlenek jest następnie redukowany wodorem z wytworzeniem proszku metalicznego germanu.
Proszek germanu jest odlewany do barów w temperaturach powyżej 1720,85 ° F (938,25 ° C).
Rafinacja strefowa (proces topienia i schładzania) kostek izoluje i usuwa zanieczyszczenia, a ostatecznie wytwarza sztaby germanu o wysokiej czystości. Komercyjny metal germanu ma często czystość większą niż 99,999%.
Rafinowany strefowo german może być dalej hodowany w kryształy, które są krojone na cienkie kawałki do wykorzystania w półprzewodnikach i soczewkach optycznych.
Globalna produkcja germanu została oszacowana przez US Geological Survey (USGS) na około 120 ton w 2011 roku (zawiera german).
Szacuje się, że 30% światowej rocznej produkcji germanu jest poddawanych recyklingowi z materiałów odpadowych, takich jak wycofane soczewki IR. Szacuje się, że 60% germanu używanego w systemach IR jest obecnie poddawana recyklingowi.
Największymi krajami produkującymi german są Chiny, gdzie dwie trzecie całego germanu wyprodukowano w 2011 roku. Inni główni producenci to Kanada, Rosja, USA i Belgia.
Główni producenci germanu toTeck Zasoby Sp., Yunnan Lincang Xinyuan Germanium Industrial Co., Umicore i Nanjing Germanium Co.
Aplikacje
Według USGS zastosowania germanu można podzielić na 5 grup (po których następuje przybliżony procent całkowitego zużycia):
- Optyka IR - 30%
- Światłowody - 20%
- Politereftalan etylenu (PET) - 20%
- Elektroniczna i solarna - 15%
- Fosfory metalurgiczne i organiczne - 5%
Kryształy germanu są hodowane i formowane w soczewki i okna do systemów optycznych IR lub termowizyjnych. Około połowa wszystkich takich systemów, które są silnie uzależnione od zapotrzebowania wojskowego, zawiera german.
Systemy obejmują małe urządzenia ręczne i montowane na broni, a także systemy powietrzne, lądowe i morskie montowane na pojazdach. Podjęto wysiłki w celu rozwoju komercyjnego rynku systemów IR opartych na germanie, takich jak w samochodach z wyższej półki, ale zastosowania niemilitarne nadal stanowią tylko około 12% popytu.
Tetrachlorek germanu jest stosowany jako domieszka - lub dodatek - w celu zwiększenia współczynnika załamania w rdzeniu ze szkła krzemionkowego linii światłowodowych. Poprzez włączenie germanu można zapobiec utracie sygnału.
Formy germanu są również wykorzystywane w podłożach do produkcji PVC zarówno dla energetyki kosmicznej (satelity), jak i naziemnej.
Podłoża germanu tworzą jedną warstwę w systemach wielowarstwowych, które również wykorzystują gal, fosforek indu i gal arsenek. Takie systemy, znane jako skoncentrowana fotowoltaika (CPV), ze względu na zastosowanie soczewek skupiających, które powiększają światło słoneczne przed przekształceniem go w energię, mają wysoki poziom wydajności, ale są droższe w produkcji niż krzem krystaliczny lub miedź-ind-gal. komórki z diselenkiem (CIGS).
Około 17 ton metrycznych dwutlenku germanu jest używane jako katalizator polimeryzacji w produkcji tworzyw sztucznych PET każdego roku. Plastik PET jest używany głównie w pojemnikach na żywność, napoje i płyny.
Pomimo swojej porażki jako tranzystora w latach 50., german jest obecnie używany w połączeniu z krzemem w elementach tranzystorowych niektórych telefonów komórkowych i urządzeń bezprzewodowych. Tranzystory SiGe charakteryzują się większą szybkością przełączania i zużywają mniej energii niż technologia oparta na krzemie. Jednym z zastosowań końcowych chipów SiGe są systemy bezpieczeństwa samochodowego.
Inne zastosowania germanu w elektronice obejmują układy pamięci w fazie, które zastępują pamięć flash w wielu urządzeniach elektronicznych ze względu na ich energooszczędność, a także w podłożach wykorzystywanych do produkcji diod LED.
Źródła:
USGS. Rocznik Minerałów 2010: German. David E. Guberman.
http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/germanium/
Stowarzyszenie Handlu Metalami Drobnymi (MMTA). German
http://www.mmta.co.uk/metale/Ge/
Muzeum CK722. Jacka Oddziału.
http://www.ck722museum.com/