A germánium egy ritka, ezüst színű félvezető fém, amelyet infravörös technológiában, száloptikai kábelekben és napelemekben használnak.
Tulajdonságok
- Atomi szimbólum: Ge
- Atomszám: 32
- Elemkategória: Metalloid
- Sűrűség: 5.323 g / cm3
- Olvadáspont: 938,25 ° C (1720,85 ° F).
- Forráspont: 2833 ° C (5131 ° F)
- Mohs keménység: 6,0
Jellemzők
Technikailag a germánium a félfém- vagy félfém. Az egyik olyan elemcsoport, amely mind fémek, mind nemfémek tulajdonságaival rendelkezik.
Fém formájában a germánium ezüst színű, kemény és törékeny.
A germánium egyedi tulajdonságai közé tartozik a közeli infravörös elektromágneses sugárzás átlátszósága (1600-1800 nanométer közötti hullámhosszon), magas törésmutatója és alacsony optikai képessége diszperziós.
A metalloid belsőleg félvezető is.
Történelem
Demitri Mendelejev, a periódusos apja megjósolta a 32. elem létezését, amelyet elnevez ekasilicon, 1869-ben. Tizenhét évvel később, Clemens A. vegyész Winkler felfedezte és elkülönítette az elemet a ritka ásványi argyroditről (Ag8GeS6). Az elemet szülőföldje, Németország után nevezte el.
Az 1920-as évek során a germánium elektromos tulajdonságainak kutatása nagy tisztaságú, egykristályos germánium kifejlesztését eredményezte. Az egykristályos germániumot egyenirányító diódákként használták a mikrohullámú radarvevőkben a második világháború alatt.
A germánium első kereskedelmi alkalmazása a háború után jött létre, miután John Bardeen, Walter Brattain és William Shockley 1947 decemberében a Bell Labs-ban feltalálta a tranzisztorokat. A következő években a germániumtartalmú tranzisztorok telefonkapcsolóberendezésekbe, katonai számítógépekbe, hallókészülékekbe és hordozható rádiókba találtak utat.
A dolgok azonban 1954 után változtak, amikor Gordon Teal, a Texas Instruments, feltalálta a szilícium tranzisztor. A germánium-tranzisztorok hajlamosak megbukni magas hőmérsékleten, ezt a problémát szilíciummal lehet megoldani. Tealáig senki sem volt képes előállítani elég nagy tisztaságú szilíciumot a germánium pótlására, de 1954 után megkezdte a germánium cseréjét az elektronikus tranzisztorokban, és az 1960-as évek közepére a germánium-tranzisztorok gyakorlatilag nem létezik.
Új pályázatokat kellett benyújtani. A germánium sikere a korai tranzisztorokban további kutatásokhoz és a germánium infravörös tulajdonságainak megvalósításához vezetett. Ez végül azt eredményezte, hogy a metalloidot az infravörös (IR) lencsék és ablakok kulcselemeként használják.
Az 1970-es években elindított első Voyager űrkutatási missziók a szilícium-germánium (SiGe) fotoelektromos cellák (PVC) által termelt energiára támaszkodtak. A germánium-alapú PVC-k továbbra is kritikus jelentőségűek a műholdas műveletek szempontjából.
Az 1990-es években az üvegszálas hálózatok fejlesztése és bővítése növeli a germánium iránti igényt, amelyet az optikai kábelek üvegmaga alkotnak.
2000-ig a germánium szubsztrátumoktól függő nagy hatásfokú PVC-k és fénykibocsátó diódák (LED-ek) az elem nagy fogyasztóiivá váltak.
Termelés
Mint a legtöbb kisebb fémet, a germániumot is az alapfémek finomításának mellékterméként állítják elő, és nem bányásznak elsődleges anyagként.
A germániumot leggyakrabban sphaleritből állítják elő cink ércek, de arról is ismert, hogy a kőszénből (szénerőművekből előállított) és néhányból származnak réz ércek.
Az anyagforrástól függetlenül az összes germánium-koncentrátumot először klórozási és desztillációs eljárással tisztítják, amely germánium-tetrakloridot (GeCl4) eredményez. A germánium-tetrakloridot ezután hidrolizálják és szárítják, germánium-dioxidot (GeO2) állítva elő. Az oxidot ezután hidrogénnel redukálják, hogy germánium-fémport képezzen.
A germániumport rúdba öntik 938,25 ° C (1720,85 ° F) hőmérsékleten.
A zóna finomítása (az olvadás és a hűtés folyamata) a rudak izolálják és eltávolítják a szennyeződéseket, és végül nagy tisztaságú germánium rudakat állítanak elő. A kereskedelmi germánium fém gyakran több mint 99,999% tisztaságú.
A zónával finomított germánium tovább kristályokká termeszthető, amelyeket vékony darabokra vágnak fel, a félvezetők és az optikai lencsék felhasználására.
Az Egyesült Államok Geológiai Szolgálata (USGS) becslése szerint a germánium globális termelését körülbelül 120 tonnára tették ki 2011-ben (germániumot tartalmaztak).
A világ germániumtermelésének körülbelül 30% -át újrahasznosítják hulladékanyagokból, például visszavonult IR lencsékből. Az IR-rendszerekben használt germánium becsült 60% -át újrahasznosítják.
A legnagyobb germánium-termelő nemzeteket Kína vezeti, ahol az összes germánium kétharmadát termelték 2011-ben. Egyéb nagy termelők között szerepel Kanada, Oroszország, az Egyesült Államok és Belgium.
A nagyobb germániumgyártók közé tartozik Teck Resources Ltd., Yunnan Lincang Xinyuan Germanium Industrial Co., Umicore és Nanjing Germanium Co.
Alkalmazások
Az USGS szerint a germánium alkalmazásokat öt csoportba lehet sorolni (ezt követi a teljes fogyasztás hozzávetőleges százaléka):
- IR optika - 30%
- Száloptika - 20%
- Polietilén-tereftalát (PET) - 20%
- Elektronikus és napelemes - 15%
- Foszforok, kohászat és szerves anyagok - 5%
A germánium kristályokat lencsékké és ablakká alakítják infravörös vagy termikus képalkotó optikai rendszerekhez. Az ilyen rendszerek körülbelül a fele, amely nagymértékben függ a katonai igényektől, magában foglalja a germániumot.
A rendszerek tartalmaznak kicsi kézi és fegyverre szerelt eszközöket, valamint légi, szárazföldi és tengeri járművekre szerelt rendszereket. Erõfeszítéseket tettek a germánium-alapú IR rendszerek kereskedelmi piacának növelésére, például a csúcskategóriás autók esetében, ám a nem katonai alkalmazások továbbra is a keresletnek csak körülbelül 12% -át teszik ki.
Germánium-tetrakloridot használnak segédanyagként vagy adalékanyagként a száloptikai vonalak szilícium-dioxid-üvegmagjának törésmutatójának növelésére. A germánium beépítésével megakadályozható a jelvesztés.
A germánium formáit szintén használják a szubsztrátumokban PVC-k előállításához mind űralapú (műholdak), mind földi energiatermeléshez.
A germánium-szubsztrátok egyrétegűek többrétegű rendszerekben, amelyek galliumot, indium-foszfidot és gallium arzenidből. Az ilyen rendszerek, úgynevezett koncentrált fotovoltaikus elemek (CPV-k), amelyek koncentráló lencsék használatának köszönhetően nagyítják fel a napfényt még azelőtt energiává alakítva, nagy hatékonyságúak, de előállítása költségesebb, mint a kristályos szilícium vagy a réz-indium-gallium-diselenid (CIGS) cellák.
Évente körülbelül 17 tonna germánium-dioxidot használnak polimerizációs katalizátorként a PET műanyagok előállításában. A PET műanyagot elsősorban élelmiszer-, ital- és folyadék-tartályokban használják.
Annak ellenére, hogy transzisztorként hibázott az 1950-es években, a germániumot most együtt alkalmazzák a szilíciummal néhány mobiltelefon és vezeték nélküli eszköz tranzisztor-összetevőiben. A SiGe tranzisztorok nagyobb kapcsolási sebességgel rendelkeznek, és kevesebb energiát fogyasztanak, mint a szilícium alapú technológiák. A SiGe forgácsok egyik végfelhasználási alkalmazása az autóbiztonsági rendszerekben található.
A germánium más felhasználása az elektronikában magában foglalja a fázisú memória chipeket, amelyek sokban helyettesítik a flash memóriát az elektronikus eszközök energiatakarékos előnyeik miatt, valamint a LED-ek gyártásához használt hordozókban.
Forrás:
USGS. 2010. évi ásványi anyagkönyv: germánium. E. David Guberman.
http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/germanium/
Kisebb Fémek Kereskedelmi Szövetsége (MMTA). Germánium
http://www.mmta.co.uk/metals/Ge/
CK722 Múzeum. Jack Ward.
http://www.ck722museum.com/