Германий является редким полупроводниковым металлом серебристого цвета, который используется в инфракрасной технологии, волоконно-оптических кабелях и солнечных элементах.
свойства
- Атомный символ: Ge
- Атомный номер: 32
- Элемент Категория: Металлоид
- Плотность: 5,323 г / см3
- Температура 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. Один из группы элементов, которые обладают свойствами как металлов, так и неметаллов.
В металлическом виде германий имеет серебристый цвет, твердый и хрупкий.
Уникальные характеристики германия включают его прозрачность для ближнего инфракрасного электромагнитного излучения (на длинах волн 1600-1800 нанометров), его высокий показатель преломления и низкий оптический дисперсия.
Металлоид также является полупроводниковым.
история
Дмитрий Менделеев, отец периодической таблицы, предсказал существование элемента № 32, который он назвал ekasiliconв 1869 году. Семнадцать лет спустя химик Клеменс А. Винклер обнаружил и изолировал элемент от редкого минерала аргиродита (Ag8GeS6). Он назвал элемент в честь своей родины, Германии.
В течение 1920-х годов исследования электрических свойств германия привели к разработке высокочистого монокристаллического германия. Монокристаллический германий использовался в качестве выпрямительных диодов в микроволновых радиолокационных приемниках во время Второй мировой войны.
Первое коммерческое применение германия появилось после войны, после изобретения транзисторов Джоном Бардином, Уолтером Браттейном и Уильямом Шокли в Bell Labs в декабре 1947 года. В последующие годы германийсодержащие транзисторы нашли свое применение в телефонной коммутации, военных компьютерах, слуховых аппаратах и портативных радиоприемниках.
Ситуация начала меняться после 1954 года, когда Гордон Тил из Texas Instruments изобрел кремний транзистор. Германиевые транзисторы имели тенденцию выходить из строя при высоких температурах, и эту проблему можно решить с помощью кремния. До Тила никто не мог производить кремний с достаточно высокой чистотой, чтобы заменить германий, но после 1954 года кремний начал заменять германий в электронных транзисторах, и к середине 1960-х годов германиевые транзисторы были практически не существует.
Новые приложения должны были прийти. Успех германия в ранних транзисторах привел к дальнейшим исследованиям и реализации инфракрасных свойств германия. В конечном итоге это привело к использованию металлоида в качестве ключевого компонента инфракрасных (ИК) линз и окон.
Первые космические исследования Voyager, начатые в 1970-х годах, основывались на энергии, производимой кремниево-германиевыми (SiGe) фотоэлектрическими элементами (ПВХ). ПВХ на основе германия по-прежнему имеют решающее значение для спутниковых операций.
Развитие и расширение оптоволоконных сетей в 1990-х годах привело к увеличению спроса на германий, который используется для формирования стеклянного сердечника волоконно-оптических кабелей.
К 2000 году высокоэффективные ПВХ и светодиоды (светодиоды), зависящие от германиевых подложек, стали крупными потребителями этого элемента.
производство
Как и большинство мелких металлов, германий производится как побочный продукт рафинирования основного металла и не добывается в качестве основного материала.
Германий чаще всего производится из сфалерита цинк руды, но также известно, что они извлекаются из угля летучей золы (производится на угольных электростанциях) и некоторых медь руды.
Независимо от источника материала все концентраты германия сначала очищаются с использованием процесса хлорирования и дистилляции, в результате которого образуется тетрахлорид германия (GeCl4). Затем тетрахлорид германия гидролизуют и сушат, получая диоксид германия (GeO2). Затем оксид восстанавливается водородом с образованием металлического порошка германия.
Порошок германия разливают в прутки при температуре свыше 1720,85 ° F (938,25 ° C).
Зонное рафинирование (процесс плавления и охлаждения) баров изолирует и удаляет примеси и, в конечном счете, производит брикеты из германия высокой чистоты. Коммерческий металлический германий часто имеет чистоту более 99,999%.
Зонно-очищенный германий может быть далее выращен в кристаллы, которые нарезаны на тонкие кусочки для использования в полупроводниках и оптических линзах.
Глобальная добыча германия была оценена Геологической службой США (USGS) примерно в 120 метрических тоннах в 2011 году (содержит германий).
По оценкам, 30% годового производства германия в мире перерабатывается из отходов, таких как удаленные ИК-линзы. По оценкам, 60% германия, используемого в инфракрасных системах, в настоящее время перерабатывается.
Крупнейшие страны-производители германия возглавляет Китай, где две трети всего германия было произведено в 2011 году. Другими крупными производителями являются Канада, Россия, США и Бельгия.
Основные производители германия включают Teck Resources Ltd.Юньнань Линьцян Синюань Германиум Индастриал Ко., Умикоре и Нанкин Германиум Ко.
Приложения
Согласно USGS, заявки на германий можно разделить на 5 групп (за которыми следует приблизительный процент от общего потребления):
- ИК оптика - 30%
- Волоконная оптика - 20%
- Полиэтилентерефталат (ПЭТ) - 20%
- Электронные и солнечные - 15%
- Люминофоры металлургические и органические - 5%
Кристаллы германия выращиваются и формируются в линзы и окно для ИК или тепловизионных оптических систем. Около половины всех таких систем, которые сильно зависят от военного спроса, включают германий.
Системы включают в себя небольшие портативные и устанавливаемые на оружие устройства, а также воздушные, наземные и морские бортовые системы. Были предприняты усилия по расширению коммерческого рынка для систем на основе германия, таких как высококлассные автомобили, но на невоенные приложения все еще приходится лишь около 12% спроса.
Четыреххлористый германий используется в качестве легирующей добавки или добавки для увеличения показателя преломления в сердцевине из кварцевого стекла волоконно-оптических линий. Благодаря включению германия можно предотвратить потерю сигнала.
Формы германия также используются в подложках для производства ПВХ как для космической (спутниковой), так и для наземной энергетики.
Германиевые подложки образуют один слой в многослойных системах, в которых также используются галлий, фосфид индия и галлий арсенид. Такие системы, известные как концентрированные фотоэлектрические системы (CPV), благодаря использованию концентрирующих линз, которые увеличивают солнечный свет до его преобразуются в энергию, имеют высокий уровень эффективности, но являются более дорогостоящими в производстве, чем кристаллический кремний или медь-индий-галлий-диселенид (CIGS) клетки.
Примерно 17 метрических тонн диоксида германия используется в качестве катализатора полимеризации при производстве ПЭТ-пластиков каждый год. ПЭТ-пластик в основном используется в контейнерах для пищевых продуктов, напитков и жидкостей.
Несмотря на провал в качестве транзистора в 1950-х годах, германий в настоящее время используется в сочетании с кремнием в транзисторных компонентах для некоторых мобильных телефонов и беспроводных устройств. SiGe-транзисторы имеют более высокие скорости переключения и потребляют меньше энергии, чем кремниевые технологии. Одно из конечных применений чипов SiGe - системы безопасности автомобилей.
Другие применения германия в электронике включают в себя микросхемы синфазной памяти, которые заменяют флэш-память во многих Электронные устройства благодаря своим энергосберегающим преимуществам, а также в подложках, используемых при производстве светодиодов.
Источники:
USGS. Ежегодник Минералов 2010: Германий. Дэвид Э. Губерман.
http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/germanium/
Ассоциация по торговле мелкими металлами (MMTA). германий
http://www.mmta.co.uk/metals/Ge/
CK722 Музей. Джек Уорд.
http://www.ck722museum.com/