Узнать о Germanium

Германий - это редкий серебристый полупроводниковый металл, который используется в инфракрасной технике, оптоволоконных кабелях и солнечных батареях.

Свойства

• Атомный символ: Ge
• Атомный номер: 32
• Элемент Категория: Металлоид
• Плотность: 5. 323 г / см3
• Точка плавления: 1720. 85 ° F (938. 25 ° C)
• Точка кипения: 5131 ° F (2833 ° C)
• Твердость по Моосу: 6. 0

Характеристики

Технически германий классифицируется как металлоид или полуметалл. Одна из групп элементов, обладающих свойствами как металлов, так и неметаллов.

В своей металлической форме германий серебристый по цвету, твердый и хрупкий.

Уникальные характеристики Германия включают его прозрачность для инфракрасного электромагнитного излучения (на длинах волн 1600-1800 нм), высокий показатель преломления и его низкую оптическую дисперсию.

Металлоид также является по своей природе полупроводниковым.

История

Демитри Менделеев, отец периодической таблицы, предсказал существование элемента № 32, который он назвал ekasilicon , в 1869 году. Семнадцать лет спустя химик Клеменс А. Винклер обнаружил и изолировал элемент из редкого минерала аргиродита (Ag8GeS6). Он назвал этот элемент после своей родины, в Германии.

В течение 1920-х годов исследование электрических свойств германия привело к разработке высокочистого, монокристаллического германия. Монокристаллический германий использовался в качестве выпрямляющих диодов в СВЧ-радиолокационных приемниках во время Второй мировой войны.

Первое коммерческое приложение для германия появилось после войны после изобретения транзисторов Джона Бардина, Уолтера Братена и Уильяма Шокли в Bell Labs в декабре 1947 года.

В последующие годы , германиесодержащие транзисторы нашли свой путь в аппаратуре телефонной связи, военных компьютерах, слуховых аппаратах и ​​портативных радиоприемниках.

Вещи начали меняться после 1954 года, однако, когда Гордон Тил из Texas Instruments изобрел кремниевый транзистор. Гермиевые транзисторы имели тенденцию терпеть неудачу при высоких температурах - проблема, которую можно было решить с помощью кремния.

До Тила никто не смог произвести кремний с достаточно высокой чистотой для замены германия, но после 1954 года кремний начал заменять германий в электронных транзисторах, а к середине 1960-х годов германиевые транзисторы практически не существовали.

Новые приложения должны были прибыть. Успех германия в ранних транзисторах привел к большему количеству исследований и реализации инфракрасных свойств германия. В конечном итоге это привело к тому, что металлоид использовался в качестве ключевого компонента инфракрасных (ИК) линз и окон.

Первые миссии по разведке космоса «Вояджер», запущенные в 1970-х годах, основывались на мощности, создаваемой фотогальваническими ячейками кремния-германия (SiGe).Герметичные ПВХ по-прежнему имеют решающее значение для спутниковых операций.

Развитие и расширение или волоконно-оптические сети в 1990-х годах привели к увеличению спроса на германий, который используется для формирования стеклянного сердечника волоконно-оптических кабелей.

К 2000 году высокоэффективные ПВХ и светоизлучающие диоды (светодиоды), зависящие от германиевых субстратов, стали крупными потребителями этого элемента.

Производство

Как и большинство мелких металлов, германий производится как побочный продукт переработки основного металла и не добывается в качестве первичного материала.

Германий чаще всего производится из сфалеритовых цинковых руд, но, как известно, добывается также из зольного угля (производства угольных электростанций) и некоторых медных руд.

Независимо от источника материала, все германиевые концентраты сначала очищаются с использованием процесса хлорирования и дистилляции, который продуцирует тетрахлорид германия (GeCl4). Затем тетрахлорид германия гидролизуют и сушат, получая диоксид германия (GeO2). Затем оксид восстанавливают водородом с образованием металлического порошка германия.

Порошок германия отливают в стержни при температуре выше 1720 ° С (938 ° С).

Очистка зоны (процесс плавления и охлаждения) прутки изолируют и удаляют примеси и, в конечном итоге, выпускают высокочистые германиевые стержни. Металл коммерческого германия часто превышает 99,999%.

Обогащенный ранами германий можно дополнительно выращивать в кристаллы, которые нарезаются на тонкие кусочки для использования в полупроводниках и оптических линзах.

Мировое производство германия было оценено Геологической службой США (USGS) примерно в 120 метрических тонн в 2011 году (содержалось германий).

По оценкам, 30% ежегодного производства германия в мире утилизируется из отходов металлолома, таких как удаленные ИК-линзы. По оценкам, 60% германия, используемого в ИК-системах, теперь перерабатывается.

Крупнейшие страны, производящие германий, возглавляются Китаем, где две трети всего германия были произведены в 2011 году. Другие крупные производители включают Канаду, Россию, США и Бельгию.

Основными производителями германия являются Teck Resources Ltd., Yunnan Lincang Xinyuan Germanium Industrial Co., Umicore и Nanjing Germanium Co.

Применения

Согласно USGS, заявки на германие можно разделить на 5 групп (за которыми следует приблизительный процент от общего потребления):

Оптическая инфракрасная область - 30%

1. Волоконная оптика - 20%
2. Полиэтилентерефталат (ПЭТ) - 20%
3. Электронный и солнечный - 15%
4. Фосфор, металлы и органические - 5%
5. Кристаллы германия выращиваются и формируются в линзы и окна для инфракрасных или тепловизионных оптических систем. Около половины всех таких систем, которые в значительной степени зависят от военного спроса, включают германий.

Системы включают небольшие ручные и оружейные устройства, а также воздушные, наземные и морские транспортные системы. Были предприняты усилия по расширению коммерческого рынка для ИК-систем на основе германия, таких как автомобили высокого класса, но невоенные применения по-прежнему составляют лишь около 12% спроса.

Четыреххлористый германий используется в качестве легирующей добавки или добавки для увеличения показателя преломления в ядре из кварцевого стекла волоконно-оптических линий. Благодаря включению германия предотвращение потери сигнала может быть предотвращено.

Формы германия также используются в субстратах для производства ПВХ как для космических (спутников), так и для выработки наземной энергии.

Германиевые подложки образуют один слой в многослойных системах, в которых также используются галлий, фосфид индия и арсенид галлия. Такие системы, известные как концентрированные фотовольтаики (CPV) из-за использования концентрационных линз, которые увеличивают солнечный свет до его преобразования в энергию, имеют высокоэффективные уровни, но более дорогостоящие в производстве, чем кристаллический кремний или медно-индий-галлий- diselenide (CIGS).

Примерно 17 метрических тонн диоксида германия используют в качестве катализатора полимеризации при производстве ПЭТ-пластиков каждый год. ПЭТ-пластик в основном используется в пищевых продуктах, напитках и жидких контейнерах.

Несмотря на его провал в качестве транзистора в 1950-х годах, германий теперь используется в тандеме с кремнием в транзисторных компонентах для некоторых сотовых телефонов и беспроводных устройств. Транзисторы SiGe имеют большую скорость переключения и используют меньшую мощность, чем кремниевые технологии. Одно конечное применение для чипов SiGe - в автомобильных системах безопасности.

Другие применения германия в электронике включают в себя микросхемы фазовой памяти, которые заменяют флэш-память во многих электронных устройствах из-за их энергосберегающих преимуществ, а также на подложках, используемых при производстве светодиодов.

Источники:

_{USGS. 2010 Ежегодник минералов: Германий. Дэвид Э. Губерман.}

_{// минералы. USGS. gov / minerals / pubs / товар / германий /}
Торговая ассоциация мелких металлов (MMTA). Германий

_{// www. MMTA. сотрудничество. uk / металлы / Ge /}
Музей CK722. Джек Уорд.

_{// www. ck722museum. ком /}