Uzyskaj informacje na temat właściwości, historii, produkcji i aplikacji
German jest rzadkim, srebrnym metalem półprzewodnikowym stosowanym w technologii podczerwieni, kablach światłowodowych i ogniwach słonecznych.
Nieruchomości
- Symbol atomu: Ge
- Liczba atomowa: 32
- Kategoria elementu: metaloid
- Gęstość: 5,33 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 metaloid lub półmetal . Jedna z grupy pierwiastków posiadających właściwości zarówno metali, jak i niemetali.
W swojej postaci metalicznej german jest srebrzysty, twardy i kruchy.
Unikalne cechy germanu obejmują jego przezroczystość do promieniowania elektromagnetycznego bliskiej podczerwieni (przy długości fali między 1600 a 1800 nanometrów), jego wysoki współczynnik załamania i niską dyspersję optyczną.
Metaloid jest również z natury półprzewodnikowy.
Historia
Demitri Mendeleev, ojciec układu okresowego, przewidział istnienie elementu nr 32, który nazwał ekasilicon , w 1869 roku. Siedemnaście lat później chemik Clemens A. Winkler odkrył i wyizolował ten pierwiastek z rzadkiej argyrodytki mineralnej (Ag8GeS6). Nazwał żywioł po swojej ojczyźnie, w Niemczech.
W latach 20. XX w. Badania nad właściwościami elektrycznymi germanu doprowadziły do powstania wysokiej czystości germanu monokryształowego. W czasie II Wojny Światowej jako diody prostownicze w mikrofalowych odbiornikach radarowych stosowano german.
Pierwsza komercyjna aplikacja dla germanu pojawiła 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 zastosowanie w urządzeniach do przełączania telefonicznego, komputerach wojskowych, aparatach słuchowych i przenośnych radiotelefonach.
Wszystko zaczęło się zmieniać po 1954 roku, kiedy Gordon Teal z Texas Instruments wynalazł tranzystor krzemowy . Tranzystory germanu miały tendencję do zawodzenia w wysokich temperaturach, co można było rozwiązać za pomocą krzemu.
Aż do Teala 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.
Nadchodzą nowe aplikacje. Sukces germanu we wczesnych tranzystorach doprowadził do dalszych badań i realizacji niemieckich właściwości podczerwieni. Ostatecznie doprowadziło to do użycia metaloidu jako kluczowego elementu soczewek i okien w podczerwieni (IR).
Pierwsze misje eksploracji przestrzeni kosmicznej Voyager, rozpoczęte w latach 70. XX wieku, opierały się na mocy wytwarzanej przez ogniwa fotowoltaiczne krzemowo-germanowe (SiGe). Niemieckie PCW są nadal krytyczne dla operacji satelitarnych.
Rozwój i rozbudowa lub sieci światłowodowe w latach 90. doprowadziły do wzrostu zapotrzebowania na german, który jest wykorzystywany do tworzenia szklanego rdzenia kabli światłowodowych.
Do 2000 r. Wysokowydajne PCW i diody elektroluminescencyjne (LED) zależne od substratów germanu stały się dużymi odbiorcami tego pierwiastka.
Produkcja
Podobnie jak większość drugorzędnych metali, german powstaje jako produkt uboczny rafinacji metali nieszlachetnych i nie jest wydobywany jako materiał pierwotny.
German jest najczęściej wytwarzany z rud cynku sfalerytu, ale znany jest również z wydobywania z popiołu lotnego (produkowanego z elektrowni węglowych) i niektórych rud miedzi .
Bez względu na źródło materiału wszystkie koncentraty germanu są najpierw oczyszczane przy użyciu procesu chlorowania i destylacji, który wytwarza tetrachlorek germanu (GeCl4). Tetrachlorek germanu jest następnie hydrolizowany i suszony, wytwarzając dwutlenek germanu (GeO2). Następnie tlenek redukuje się wodorem z wytworzeniem metalicznego proszku z germanu.
Proszek germanu jest odlewany do kostek w temperaturze powyżej 1720,85 ° F (938,25 ° C).
Oczyszczanie strefowe (proces topienia i chłodzenia) pręty izoluje i usuwa zanieczyszczenia, a ostatecznie wytwarza batony germanowe o wysokiej czystości. Handlowy german metal często ma czystość ponad 99,999%.
Wyrafinowany germanu można następnie hodować w kryształach, które są cięte na cienkie kawałki do stosowania 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% światowej rocznej produkcji germanu jest odzyskiwane z materiałów złomowych, takich jak wycofane soczewki IR. Szacuje się, że 60% germanu wykorzystywanego w systemach podczerwieni jest obecnie przetwarzane.
Największymi narodami produkującymi german są Chiny, gdzie w 2011 r. Wyprodukowano dwie trzecie germanu. Do innych głównych producentów należą Kanada, Rosja, USA i Belgia.
Głównymi producentami germanu są Teck Resources Ltd. , Yunnan Lincang Xinyuan Germanium Industrial Co., Umicore i Nanjing Germanium Co.
Aplikacje
Według USGS, aplikacje germanu można podzielić na 5 grup (a następnie przybliżony procent całkowitego zużycia):
- Optyka podczerwieni - 30%
- Światłowody - 20%
- Politereftalan etylenu (PET) - 20%
- Elektroniczne i słoneczne - 15%
- Fosfory, hutnictwo i ekologiczne - 5%
Kryształy germanu są hodowane i formowane w soczewki i okna dla systemów optycznych IR lub termowizyjnych. Około połowa wszystkich takich systemów, które są silnie uzależnione od popytu wojskowego, to german.
Systemy obejmują małe urządzenia ręczne i uzbrojone w broń, a także powietrzne, lądowe i morskie systemy montowane na pojazdach. Podjęto wysiłki, aby rozwinąć rynek komercyjny dla systemów podczerwieni opartych na germanach, takich jak samochody wysokiej klasy, ale aplikacje niemilitarne wciąż stanowią zaledwie około 12% popytu.
Tetrachlorek germanu jest używany jako domieszka - lub dodatek - w celu zwiększenia współczynnika załamania w rdzeniu z włókna szklanego linii światłowodowych. Przez włączenie germanu można zapobiec utracie sygnału.
Formy germanu są również stosowane w podłożach do produkcji PCW zarówno w przypadku kosmicznych (satelity), jak i ziemskich.
Podłoża germanu tworzą jedną warstwę w układach wielowarstwowych, które również wykorzystują galu, fosforek indu i arsenku galu. Takie systemy, znane jako skoncentrowane ogniwa fotowoltaiczne (CPV) ze względu na zastosowanie soczewek skupiających, które powiększają światło słoneczne przed przekształceniem w energię, charakteryzują się wysoką wydajnością, ale są droższe w produkcji niż krzem krystaliczny lub miedź-ind-gal. komórki diselenide (CIGS).
W przybliżeniu 17 ton metrycznych dwutlenku germanu jest stosowany jako katalizator polimeryzacji w produkcji tworzyw sztucznych PET każdego roku. Tworzywo PET jest stosowane przede wszystkim w pojemnikach na żywność, napoje i napoje.
Pomimo awarii tranzystora w latach 50-tych, german jest obecnie używany w połączeniu z krzemem w komponentach tranzystorowych dla niektórych telefonów komórkowych i urządzeń bezprzewodowych. Tranzystory SiGe mają większe prędkości przełączania i zużywają mniej energii niż technologia krzemowa. Jedną z aplikacji końcowych do układów SiGe są systemy bezpieczeństwa w pojazdach.
Do innych zastosowań germanu w elektronice należą chipy z pamięcią fazową, które zastępują pamięć flash w wielu urządzeniach elektronicznych ze względu na ich energooszczędne zalety, a także na podłoża wykorzystywane do produkcji diod LED.
Źródła:
USGS. Rocznik Minerałów 2010: German. David E. Guberman.
http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/germanium/
Stowarzyszenie Małych Metali (MMTA). German
http://www.mmta.co.uk/metals/Ge/
Muzeum CK722. Jack Ward.
http://www.ck722museum.com/