Μάθετε για το Γερμάνιο

Το γερμάνιο είναι ένα σπάνιο μεταλλικό ημιαγωγό ασημί χρώματος που χρησιμοποιείται στην υπέρυθρη τεχνολογία, στα καλώδια οπτικών ινών και στα ηλιακά κύτταρα.

Ιδιότητες

• Ατομικό σύμβολο: Ge
• Ατομικός αριθμός: 32
• Στοιχείο Κατηγορία: Μεταλλοειδές
• Πυκνότητα: 5,323 g / cm3
• Σημείο τήξης: 938,25 ° C (1720,85 ° F)
• Σημείο ζέσης: 5131 ° F (2833 ° C)
• Mohs σκληρότητα: 6.0

Χαρακτηριστικά

Από τεχνική άποψη, το γερμάνιο κατατάσσεται ως μεταλλοειδές ή ημι-μέταλλο. Μια από μια ομάδα στοιχείων που διαθέτουν ιδιότητες τόσο των μετάλλων όσο και των μη-μετάλλων.

Στη μεταλλική του μορφή, το γερμάνιο είναι ασημί χρώμα, σκληρό και εύθραυστο.

Τα μοναδικά χαρακτηριστικά του Γερμάνιου περιλαμβάνουν τη διαφάνειά του στην σχεδόν υπέρυθρη ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία (σε μήκος κύματος μεταξύ 1600-1800 νανόμετρα), τον υψηλό δείκτη διάθλασης και τη χαμηλή οπτική διασπορά του.

Το μεταλλοειδές είναι επίσης εγγενώς ημιαγωγικό.

Ιστορία

Ο Demitri Mendeleev, ο πατέρας του περιοδικού πίνακα, προέβλεψε την ύπαρξη του στοιχείου αριθ. 32, τον οποίο ονόμασε ekasilicon , το 1869. Δεκαεπτά χρόνια αργότερα ο χημικός Clemens A. Winkler ανακάλυψε και απομόνωσε το στοιχείο από το σπάνιο ορυκτό argyrodite (Ag8GeS6). Ονομάστηκε το στοιχείο μετά την πατρίδα του, τη Γερμανία.

Κατά τη διάρκεια της δεκαετίας του 1920, η έρευνα σχετικά με τις ηλεκτρικές ιδιότητες του γερμανού είχε ως αποτέλεσμα την ανάπτυξη υψηλής καθαρότητας μονοκρυσταλλικού γερμανού. Το μονοκρυσταλλικό γερμάνιο χρησιμοποιήθηκε ως διορθωτικές διόδους σε δέκτες ραντάρ μικροκυμάτων κατά τη διάρκεια του Β 'Παγκοσμίου Πολέμου.

Η πρώτη εμπορική εφαρμογή για το γερμάνιο ήρθε μετά τον πόλεμο, ακολουθώντας την εφεύρεση των τρανζίστορ από τους John Bardeen, Walter Brattain και William Shockley στα Bell Labs τον Δεκέμβριο του 1947. Τα επόμενα χρόνια, τα τρανζίστορ που περιείχαν γερμάνιο βρήκαν τον τρόπο τους στον τηλεφωνικό εξοπλισμό μεταγωγής , στρατιωτικούς υπολογιστές, βοηθήματα ακοής και φορητά ραδιόφωνα.

Τα πράγματα άρχισαν να αλλάζουν μετά το 1954, όμως, όταν ο Gordon Teal της Texas Instruments εφευρέθηκε ένα τρανζίστορ πυριτίου. Τα τρανζίστορ γερμανίου είχαν την τάση να αποτυγχάνουν σε υψηλές θερμοκρασίες, ένα πρόβλημα που θα μπορούσε να λυθεί με πυρίτιο. Μέχρι το Teal, κανείς δεν ήταν σε θέση να παράγει πυρίτιο με αρκετά υψηλή καθαρότητα για να αντικαταστήσει το γερμάνιο, αλλά μετά το 1954 το πυρίτιο άρχισε να αντικαθιστά το γερμάνιο σε ηλεκτρονικά τρανζίστορ και από τα μέσα της δεκαετίας του 1960, τα τρανζίστορ γερμανίου ήταν σχεδόν ανύπαρκτα.

Πραγματοποιήθηκαν νέες αιτήσεις. Η επιτυχία του γερμανού στα πρώιμα τρανζίστορ οδήγησε σε περισσότερη έρευνα και πραγματοποίηση των υπέρυθρων ιδιοτήτων του γερμανίου. Τελικά, αυτό είχε ως αποτέλεσμα το μεταλλοειδές να χρησιμοποιηθεί ως βασικό συστατικό των υπέρυθρων (IR) φακών και παραθύρων.

Οι πρώτες αποστολές εξερεύνησης του διαστήματος Voyager που ξεκίνησαν τη δεκαετία του 1970 βασίστηκαν στην ισχύ που παράγεται από φωτοβολταϊκά κύτταρα πυριτίου-γερμανίου (SiGe). Τα PVCs με βάση το γερμάνιο εξακολουθούν να είναι κρίσιμα για τις δορυφορικές λειτουργίες.

Τα δίκτυα ανάπτυξης και επέκτασης ή οπτικών ινών στη δεκαετία του 1990 οδήγησαν σε αυξημένη ζήτηση για γερμάνιο, το οποίο χρησιμοποιείται για τον σχηματισμό του γυάλινου πυρήνα καλωδίων οπτικών ινών.

Μέχρι το 2000, οι υψηλής απόδοσης PVC και οι δίοδοι εκπομπής φωτός (LED) που εξαρτώνταν από τα υποστρώματα γερμαίου είχαν γίνει μεγάλοι καταναλωτές του στοιχείου.

Παραγωγή

Όπως και τα περισσότερα δευτερεύοντα μέταλλα, το γερμάνιο παράγεται ως υποπροϊόν του ραφιναρίσματος βασικών μετάλλων και δεν εξορύσσεται ως πρωτεύον υλικό.

Το γερμάνιο παράγεται συνήθως από μεταλλεύματα ψευδαργύρου σαλλερίτη αλλά είναι επίσης γνωστό ότι εξάγεται από άνθρακα ιπτάμενης τέφρας (που παράγεται από σταθμούς παραγωγής άνθρακα) και από μερικά χαλκό.

Ανεξάρτητα από την πηγή του υλικού, όλα τα συμπυκνώματα γερμανίου καθαρίζονται πρώτα χρησιμοποιώντας μια διαδικασία χλωρίωσης και απόσταξης η οποία παράγει τετραχλωριούχο γερμανίου (GeCl4). Το τετραχλωριούχο γερμανίδιο στη συνέχεια υδρολύεται και ξηραίνεται, παράγοντας διοξείδιο του γερμανίου (Ge02). Το οξείδιο στη συνέχεια ανάγεται με υδρογόνο για να σχηματίσει σκόνη μετάλλου γερμανίου.

Η σκόνη γερμανίου χυτεύεται σε ράβδους σε θερμοκρασίες άνω των 938,25 ° C.

Η διύλιση ζωνών (διαδικασία τήξης και ψύξης) απομονώνει και απομακρύνει τις ακαθαρσίες και τελικά παράγει ράβδους γερμάνιου υψηλής καθαρότητας. Το μεταλλικό γερμάνιο μέταλλο είναι συχνά περισσότερο από 99,999% καθαρό.

Το εξευγενισμένο με ζώνη γερμάνιο μπορεί να αναπτυχθεί περαιτέρω σε κρυστάλλους, οι οποίοι τεμαχίζονται σε λεπτά τεμάχια για χρήση σε ημιαγωγούς και οπτικούς φακούς.

Η παγκόσμια παραγωγή γερμανού εκτιμήθηκε από την αμερικανική γεωλογική έρευνα (USGS) ότι ήταν περίπου 120 μετρικοί τόνοι το 2011 (περιείχε γερμάνιο).

Εκτιμάται ότι το 30% της παγκόσμιας ετήσιας παραγωγής γερμανίου ανακυκλώνεται από απορρίμματα, όπως οι συνταξιούχοι φακοί IR. Υπολογίζεται ότι το 60% του γερμανού που χρησιμοποιείται στα συστήματα IR ανακυκλώνεται τώρα.

Τα μεγαλύτερα έθνη παραγωγής γερμάνων οδηγούνται από την Κίνα, όπου τα δύο τρίτα του γερμανού παράγεται το 2011. Άλλοι σημαντικοί παραγωγοί περιλαμβάνουν τον Καναδά, τη Ρωσία, τις ΗΠΑ και το Βέλγιο.

Οι κύριοι παραγωγοί γερμάνιου περιλαμβάνουν τις εταιρείες Teck Resources Ltd., Yunnan Lincang Xinyuan Germanium Industrial Co., Umicore και Nanjing Germanium Co.

Εφαρμογές

Σύμφωνα με το USGS, οι αιτήσεις γερμανίου μπορούν να ταξινομηθούν σε 5 ομάδες (ακολουθούμενες από κατά προσέγγιση ποσοστό της συνολικής κατανάλωσης):

1. IR οπτικά - 30%
2. Οπτικές Ίνες - 20%
3. Τερεφθαλικό πολυαιθυλένιο (PET) - 20%
4. Ηλεκτρονικά και ηλιακά - 15%
5. Φωσφόροι, μεταλλουργία και οργανικά - 5%

Οι κρύσταλλοι Γερμάνιο αναπτύσσονται και διαμορφώνονται σε φακούς και παράθυρα για οπτικά συστήματα IR ή θερμικής απεικόνισης. Περίπου τα μισά από όλα αυτά τα συστήματα, τα οποία εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από τη στρατιωτική ζήτηση, περιλαμβάνουν το γερμάνιο.

Τα συστήματα περιλαμβάνουν μικρά χειροκίνητα και όπλα τοποθετημένα συστήματα, καθώς και συστήματα αέρος, ξηράς και θαλάσσης.Έχουν καταβληθεί προσπάθειες για την ανάπτυξη της εμπορικής αγοράς για συστήματα IR που βασίζονται σε γερμάνιο, όπως σε αυτοκίνητα υψηλού επιπέδου, αλλά οι μη στρατιωτικές εφαρμογές εξακολουθούν να αντιπροσωπεύουν μόλις το 12% περίπου της ζήτησης.

Το τετραχλωριούχο γερμανίδιο χρησιμοποιείται ως πρόσθετο - ή πρόσθετο - για την αύξηση του δείκτη διάθλασης στον πυρήνα γυαλιού από οπτικές ίνες. Με την ενσωμάτωση γερμάνιου, μπορεί να προληφθεί η απώλεια σήματος.

Μορφές γερμανίου χρησιμοποιούνται επίσης σε υποστρώματα για την παραγωγή PVC για δορυφορικές και δορυφορικές εφαρμογές.

Τα υποστρώματα γερμάνιου σχηματίζουν ένα στρώμα σε συστήματα πολλαπλών στρώσεων που χρησιμοποιούν επίσης γάλλιο, φωσίδιο του ινδίου και αρσενικό γάλλιο. Αυτά τα συστήματα, γνωστά ως συμπυκνωμένα φωτοβολταϊκά (CPV) λόγω της χρήσης συγκεντρωτικών φακών που μεγεθύνουν το ηλιακό φως πριν μετατραπούν σε ενέργεια, έχουν επίπεδα υψηλής απόδοσης αλλά είναι πιο δαπανηρά για την κατασκευή από το κρυσταλλικό πυρίτιο ή το χαλκό-ίνδιο-γάλλιο- κυττάρων diselenide (CIGS).

Περίπου 17 μετρικοί τόνοι διοξειδίου του γερμανίου χρησιμοποιούνται ως καταλύτης πολυμερισμού στην παραγωγή πλαστικών PET κάθε χρόνο. Το πλαστικό PET χρησιμοποιείται κυρίως σε δοχεία τροφίμων, ποτών και υγρών.

Παρά την αποτυχία της ως τρανζίστορ στη δεκαετία του 1950, το γερμάνιο χρησιμοποιείται τώρα σε συνδυασμό με το πυρίτιο σε τρανζίστορ για ορισμένα κινητά τηλέφωνα και ασύρματες συσκευές. Τα τρανζίστορ SiGe έχουν μεγαλύτερες ταχύτητες μεταγωγής και χρησιμοποιούν λιγότερη ισχύ από την τεχνολογία με βάση το πυρίτιο. Μια εφαρμογή τελικής χρήσης για τα τσιπ SiGe βρίσκεται στα συστήματα ασφαλείας αυτοκινήτων.

Άλλες χρήσεις για το γερμάνιο στα ηλεκτρονικά περιλαμβάνουν μάρκες μνήμης φάσης, οι οποίες αντικαθιστούν τη μνήμη flash σε πολλές ηλεκτρονικές συσκευές λόγω των πλεονεκτημάτων εξοικονόμησης ενέργειας τους, καθώς και σε υποστρώματα που χρησιμοποιούνται στην παραγωγή των LED.

_Πηγές:

_{USGS. 2010 Επετηρίδα Ορυκτών: Γερμάνιο. David E. Guberman.}http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/germanium/

_{Μικρά Μέταλλα Εμπορίου (MMTA). Γερμάνιο}http://www.mmta.co.uk/metals/Ge/

_{Μουσείο CK722. Jack Ward.}http://www.ck722museum.com/