Oppia Germanium

Germanium on harvinainen hopeavärinen puolijohdemateriaali, jota käytetään infrapunateknologiassa, valokaapeleissa ja aurinkokennoissa.

Ominaisuudet

• Atomic Symbol: Ge
• Atomic Number: 32
• Elementtiryhmä: Metalloid
• Tiheys: 5. 323 g / cm3
• Sulamispiste: 1720. 25 ° C)
• Kiehumispiste: 5131 ° F (2833 ° C)
• Mohsin kovuus: 6. 0

Ominaisuudet

Teknisesti germanium luokitellaan metalloidiksi tai puolimetalliksi. Yksi elementtiryhmästä, jolla on sekä metallien että ei-metallien ominaisuuksia.

Metallisessa muodossaan germanium on hopea, kova ja hauras.

Germaniumin ainutlaatuiset ominaisuudet sisältävät sen läpinäkyvyyden lähellä infrapuna-sähkömagneettista säteilyä (aallonpituuksilla 1600-1800 nanometriä), sen korkea taittokerroin ja sen alhainen optinen dispersio.

Metalloidi on myös itsessään puolijohtava.

Historia

Jaksottaisen taulukon isä Demitri Mendeleev ennusti elementtinumeron 32 olemassaolon, jonka hän nimesi ekasilicon , vuonna 1869. Seitsemäntoista vuotta myöhemmin kemisti Clemens A. Winkler havaitsi ja eristää elementti harvinainen mineraali argyrodite (Ag8GeS6). Hän nimitti elementin kotimaansa Saksan jälkeen.

1920-luvulla germaanin sähköisten ominaisuuksien tutkiminen johti korkean puhtauden yksikiteisen germaniumin kehittämiseen. Yksikertaista germaniumia käytettiin korjaavina diodeina mikroaaltotutka-vastaanottimissa toisen maailmansodan aikana.

Ensimmäinen kaupallinen hakemus germaniumista tuli sodan jälkeen, kun John Bardeen, Walter Brattain ja William Shockley olivat tehneet transistoreita joulukuussa 1947 Bell Labsissa.

Seuraavina vuosina , germaniumia sisältävät transistorit löysivät tiensä puhelinvaihteisiin, sotilastekniikoihin, kuulolaitteisiin ja kannettaviin radioihin.

Asiat alkoivat muuttua vuoden 1954 jälkeen, kun Gordon Teal Texas Instrumentsista loi pii-transistorin. Germanium-transistoreilla oli taipumus epäonnistua korkeissa lämpötiloissa, ongelma, joka voitaisiin ratkaista piin kanssa.

Ennen Teal, kukaan ei ollut kyennyt tuottamaan piitä riittävän korkealla puhtaudella germaniumin korvaamiseksi, mutta vuoden 1954 jälkeen pii alkoi korvata germanium sähköisissä transistoreissa ja 1960-luvun puolivälissä germanium-transistorit olivat lähes olemattomia.

Uusia hakemuksia tuli. Germaniumin menestys varhaisissa transistoreissa johti useampaan tutkimukseen ja germaniumin infrapunatulojen realisointiin. Viime kädessä tämä johti metalloidin käyttämiseen keskeisenä infrapunasäteilyn ja ikkunan komponentteina.

Ensimmäiset 1970-luvulla käynnistetyt Voyager-avaruusmatkailut perustuivat pii-germanium (SiGe) aurinkokennojen (PVC) tuottamaan tehoon.Germanium-pohjaiset PVC: t ovat edelleen kriittisiä satelliittitoiminnoissa.

Kehitys- ja laajennus- tai kuituoptiset verkot 1990-luvulla johtivat germaniumien kysynnän lisääntymiseen, jota käytetään valokaapeleiden lasisydämen muodostamiseen.

Vuoteen 2000 mennessä germanium-substraateista riippuvat suuritehoiset PVC: t ja valoa lähettävät diodit (LEDit) olivat tulleet elementin suuriksi kuluttajiksi.

Tuotanto

Kuten useimmat pienet metallit, germanium tuotetaan epäjalon metallin jalostuksen sivutuotteena eikä sitä ole louhittu ensisijaiseksi materiaaliksi.

Germanium on yleisimmin valmistettu sphaleriteista peräisin olevista sinkkioksidimalmista, mutta tiedetään myös uutettavaksi hiilivoimaloista valmistetusta lentotuhkan hiilestä ja eräistä kuparimalmista.

Riippumatta materiaalin lähteestä, kaikki germaniumkonsentraatit puhdistetaan ensin käyttämällä klooraus- ja tislausmenetelmää, joka tuottaa germaniumtetrakloridia (GeCl4). Sitten germanium tetrakloridia hydrolysoidaan ja kuivataan tuottaen germaniumdioksidia (GeO2). Sitten oksidi pelkistetään vedyllä germaniummetallijauheen muodostamiseksi.

Germanium-jauhe valetaan tankoihin lämpötiloissa yli 1720. 85 ° F (938-25 ° C).

Vyöhykkeen jalostus (sulatus- ja jäähdytysprosessi) tanko eristää ja poistaa epäpuhtaudet ja lopulta tuottaa erittäin puhtaita germanium-tankoja. Kaupallinen germaniummetalli on usein yli 99. 999% puhdasta.

Vyöhykkeellä puhdistettua germaniinia voidaan edelleen kasvattaa kiteiksi, jotka leikataan ohuiksi kappaleiksi käytettäväksi puolijohteissa ja optisissa linsseissä.

Yhdysvaltain geologian tutkimus (USGS) arvioi, että germaania tuotetaan maailmanlaajuisesti noin 120 metristä tonnia vuonna 2011 (germanium sisälsi).

Lähes 30 prosenttia maailman vuosittaisesta germaniumin tuotannosta kierrätetään romumateriaaleista, kuten eläkkeelle jääneistä IR-objektiiveista. Lähes 60 prosenttia infrapunayhdisteissä käytetystä germaniumista kierrätetään nyt.

Suurimmat germaniumin tuottavat maat johtavat Kiina, jossa kaksi kolmasosaa kaikesta germaniumista tuotettiin vuonna 2011. Muita merkittäviä tuottajia ovat Kanada, Venäjä, Yhdysvallat ja Belgia.

Tärkeimpiä germaniumin tuottajia ovat esimerkiksi Teck Resources Ltd., Yunnan Lincang Xinyuan Germanium Industrial Co., Umicore ja Nanjing Germanium Co.

Sovellukset

USGS: n mukaan germanium-sovellukset voidaan luokitella 5 ryhmään (%):

IR-optiikka - 30%

1. Kuituoptiikka - 20%
2. Polyeteenitereftalaatti (PET) - 20%
3. Elektroniset ja aurinkokennot - 15%
4. orgaaninen - 5%
5. Germaanikiteitä kasvatetaan ja muodostetaan linssiksi ja ikkunaksi IR- tai lämpökuvan optisille järjestelmille. Noin puolet kaikista tällaisista järjestelmistä, jotka ovat voimakkaasti riippuvaisia ​​sotilaallisesta kysynnästä, ovat germanium.

Järjestelmään kuuluu pieniä kädessä pidettäviä ja aseisiin asennettavia laitteita sekä ilma-, maa- ja merikäyttöisiä ajoneuvoihin asennettuja järjestelmiä. Germanium-pohjaisten infrapunayhteyksien, kuten huippuluokan autojen, kaupalliset markkinat on pyritty kasvattamaan, mutta ei-sotilaalliset sovellukset muodostavat edelleen vain noin 12 prosenttia kysynnästä.

Germaanitetrakloridia käytetään lisäaineena tai lisäaineena kuituoptisten johtojen silikageeliytimessä olevan taitekertoimen lisäämiseksi. Sisällyttämällä germanium, signaalihäviö estetään voidaan estää.

Germanium-muotoja käytetään myös substraateissa PVC: n valmistamiseksi sekä avaruusperusteisiin (satelliitteihin) että maanpäälliseen sähköntuotantoon.

Germanium-alustat muodostavat yhden kerroksen monikerroksisissa järjestelmissä, joissa käytetään myös galliumia, indiumfosfidia ja galliumarsenidia. Tällaiset järjestelmät, joita kutsutaan keskittyneiksi aurinkosähköyksiköiksi (CPV), koska ne käyttävät keskittyviä linssejä, jotka suurentavat auringonvaloa ennen sen muuntamista energiaan, ovat korkeatasoisia, mutta kalliimpia valmistaa kuin kiteiset pii- tai kupari-indium-gallium- diselenidi (CIGS) -soluja.

PET-muovien valmistuksessa käytetään vuosittain noin 17 tonnia germanium-dioksidia polymerointikatalysaattorina. PET-muovia käytetään pääasiassa ruoka-, juoma- ja nestesäiliöissä.

Huolimatta sen epäonnistumisesta transistorina 1950-luvulla, germaniumia käytetään nyt yhdessä piin kanssa transistoriosien kanssa joillekin matkapuhelimille ja langattomille laitteille. SiGe-transistoreilla on paremmat kytkentänopeudet ja niillä on vähemmän tehoa kuin piipohjainen tekniikka. Yksi loppukäyttösovellus SiGe-siruille on autojen turvajärjestelmissä.

Muita germanium-elektroniikan käyttötarkoituksia ovat vaihe-muistisirut, jotka korvaavat flash-muistia monissa elektronisissa laitteissa niiden energiansäästöön liittyvien etujen vuoksi sekä LED-valojen valmistuksessa käytetyissä substraateissa.

Lähteet:

_{USGS. 2010 Minerals Yearbook: Germanium. David E. Guberman.}

_{// mineraalit. USGS. gov / mineraalit / pubit / hyödykkeet / germanium /}
Minor Metals Trade Association (MMTA). Germanium

_{// www. mmta. co. uk / metalli / Ge /}
CK722-museo. Jack Ward.

_{// www. ck722museum. com /}