Germanium je vzácny polovodičový kov striebornej farby, ktorý sa používa v infračervenej technológii, kábloch z optických vlákien a solárnych článkoch.
vlastnosti
- Atómový symbol: Ge
- Atómové číslo: 32
- Kategória prvku: Metalloid
- Hustota: 5,323 g / cm3
- Teplota topenia: 1720,25 ° F (938,25 ° C)
- Bod varu: 2833 ° C
- Mohsova tvrdosť: 6,0
charakteristika
Technicky sa germánium klasifikuje ako podobný kovu alebo polokov. Jeden zo skupiny prvkov, ktoré majú vlastnosti kovov aj nekovov.
Vo svojej kovovej forme má germánium striebornú farbu, je tvrdé a krehké.
Medzi jedinečné vlastnosti Germania patrí jej priehľadnosť voči elektromagnetickému žiareniu blízkemu infračervenému žiareniu (pri vlnových dĺžkach medzi 1600 - 1800 nanometrov), jeho vysoký index lomu a nízky optický disperzie.
Metaloid je tiež prirodzene polovodivý.
histórie
Demitri Mendeleev, otec periodickej tabuľky, predpovedal existenciu prvku číslo 32, ktorý pomenoval ekasilicon, v roku 1869. O sedemnásť rokov neskôr chemik Clemens A. Winkler objavil a izoloval prvok od vzácneho minerálneho argyroditu (Ag8GeS6). Prvok pomenoval podľa svojej vlasti, Nemecka.
Počas dvadsiatych rokov 20. storočia výskum elektrických vlastností germánia vyústil do vývoja monokryštalického germáia s vysokou čistotou. Monokryštalické germánium sa počas druhej svetovej vojny používalo ako usmerňovacie diódy v mikrovlnných radarových prijímačoch.
Prvá komerčná prihláška na germánium prišla po vojne po vynáleze tranzistorov Johna Bardeena, Waltera Brattaina a Williama Shockleyho v Bell Labs v decembri 1947. V nasledujúcich rokoch si germániové tranzistory našli cestu k telefónnym prepínacím zariadeniam, vojenským počítačom, načúvacím prístrojom a prenosným rádiám.
Veci sa začali meniť po roku 1954, keď Gordon Teal z Texas Instruments vynašiel a kremík tranzistor. Germaniové tranzistory mali tendenciu zlyhávať pri vysokých teplotách, čo je problém, ktorý by bolo možné vyriešiť kremíkom. Až do Teal, nikto nebol schopný vyrábať kremík s dostatočne vysokou čistotou nahradiť germánium, ale po roku 1954 kremík začalo nahrádzať germánium v elektronických tranzistoroch a do polovice 60. rokov boli nemecké tranzistory prakticky neexistujúce.
Nové aplikácie mali prísť. Úspešnosť germánia v skorých tranzistoroch viedla k ďalšiemu výskumu a realizácii nemeckých infračervených vlastností. V konečnom dôsledku to viedlo k použitiu metaloidu ako kľúčovej súčasti infračervených (IR) šošoviek a okien.
Prvé vesmírne prieskumné misie Voyager, ktoré sa začali v 70. rokoch, vychádzali z energie vyrobenej z fotovoltaických článkov kremík-germánium (SiGe) (PVC). PVC na báze germánia sú stále dôležité pre satelitné operácie.
Rozvoj a rozširovanie alebo optické siete v 90. rokoch viedli k zvýšenému dopytu po germánsku, ktoré sa používa na vytvorenie skleneného jadra káblov z optických vlákien.
Do roku 2000 sa veľkými spotrebiteľmi tohto prvku stali vysokoúčinné PVC a diódy vyžarujúce svetlo (LED) závislé od germániových substrátov.
výroba
Rovnako ako väčšina minoritných kovov sa germánium vyrába ako vedľajší produkt rafinácie základných kovov a nevyťažuje sa ako primárny materiál.
Germánium sa najčastejšie vyrába zo sfaleritu zinok rúd, ale je známe, že sa ťaží aj z popolčekového uhlia (vyrobeného z uhoľných elektrární) a niektorých meď rudy.
Bez ohľadu na zdroj materiálu sa všetky koncentráty germánia najprv vyčistia pomocou chloračného a destilačného procesu, ktorý produkuje chlorid germannatý (GeCl4). Chlorid germannatý sa potom hydrolyzuje a suší za vzniku oxidu germánia (Ge02). Oxid sa potom redukuje vodíkom za vzniku kovového prášku germánia.
Germánium prášok sa odlieva do tyčiniek pri teplotách nad 938,25 ° C (938,25 ° F).
Rafinácia zón (proces topenia a ochladzovania) izoluje a odstraňuje nečistoty a nakoniec produkuje germániové tyčinky s vysokou čistotou. Komerčný kov germánia má často čistotu viac ako 99,999%.
Nemecké rafinované germánium sa môže ďalej pestovať v kryštáloch, ktoré sa krájajú na tenké kúsky na použitie v polovodičoch a optických šošovkách.
Globálna produkcia germánia bola podľa geologického prieskumu USA (USGS) odhadnutá v roku 2011 na približne 120 metrických ton (obsah germánia).
Odhaduje sa, že 30% celosvetovej ročnej výroby germánia je recyklovaných zo šrotu, ako sú IR šošovky na dôchodku. Odhaduje sa, že 60% germánia použitého v IR systémoch sa recykluje.
Najväčšími germánskymi krajinami vyrábajúcimi ropu sú Čína, kde sa v roku 2011 vyprodukovali dve tretiny všetkého germánia. Ďalšími významnými výrobcami sú Kanada, Rusko, USA a Belgicko.
Medzi hlavných výrobcov germánia patrí Teck Resources Ltd., Yunnan Lincang Xinyuan Germanium Industrial Co., Umicore a Nanjing Germanium Co.
aplikácia
Podľa USGS možno aplikácie germánia rozdeliť do 5 skupín (nasledované približným percentuálnym podielom celkovej spotreby):
- IR optika - 30%
- Vláknová optika - 20%
- Polyetylén tereftalát (PET) - 20%
- Elektronické a solárne - 15%
- Fosfory, metalurgia a organické látky - 5%
Kryštály germánia sa pestujú a formujú do šošoviek a okien pre infračervené alebo termálne zobrazovacie optické systémy. Asi polovica všetkých takýchto systémov, ktoré sú silne závislé od vojenského dopytu, zahŕňa germánium.
Medzi systémy patria malé ručné a zbraňové zariadenia, ako aj systémy namontované na vzduchu, na zemi a na mori. Vyvinuli sa snahy o rozvoj komerčného trhu s nemeckými infračervenými systémami, napríklad vo vozidlách vyššej kategórie, ale nevojenské aplikácie stále predstavujú iba asi 12% dopytu.
Chlorid gertnatý sa používa ako dopant - alebo aditívum - na zvýšenie indexu lomu v jadre z kremičitého skla vlákien s optickými vláknami. Začlenením germánia sa dá zabrániť strate signálu.
Formy germánia sa tiež používajú v substrátoch na výrobu PVC pre vesmírnu výrobu (satelity) a pre pozemnú výrobu energie.
Substráty Germanium tvoria jednu vrstvu vo viacvrstvových systémoch, ktoré tiež používajú gálium, indiumfosfid a gálium arzenid. Takéto systémy, známe ako koncentrované fotovoltaické systémy (CPV), kvôli použitiu koncentrovaných šošoviek, ktoré zväčšujú slnečné svetlo skôr, ako je prevedené na energiu, majú vysokú úroveň účinnosti, ale ich výroba je nákladnejšia ako kryštalický kremík alebo diselenid meď-indium-gálium (CIGS) bunky.
Ako polymerizačný katalyzátor sa pri výrobe PET plastov každý rok používa približne 17 metrických ton oxidu germaničitého. PET plast sa používa predovšetkým v nádobách na potraviny, nápoje a kvapaliny.
Napriek zlyhaniu tranzistora v 50. rokoch 20. storočia sa germánium používa v kombinácii s kremíkom v tranzistorových komponentoch pre niektoré mobilné telefóny a bezdrôtové zariadenia. Tranzistory SiGe majú vyššie spínacie rýchlosti a využívajú menej energie ako kremíková technológia. Jednou z koncových aplikácií pre čipy SiGe je automobilové bezpečnostné systémy.
Ďalšie použitia germánia v elektronike zahŕňajú fázové pamäťové čipy, ktoré v mnohých nahrádzajú flash pamäť elektronických zariadení kvôli ich výhodám úspory energie, ako aj v substrátoch používaných pri výrobe LED.
zdroj:
USGS. Ročenka minerálov 2010: Germanium. David E. Guberman.
http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/germanium/
Obchodné združenie pre malé kovy (MMTA). germánium
http://www.mmta.co.uk/metals/Ge/
CK722 Múzeum. Jack Ward.
http://www.ck722museum.com/