Germanium Properties, History and Applications

Germanium er et sjeldent sølvfarget halvledermetall som brukes i infrarød teknologi, fiberoptiske kabler og solceller.

• Atomisk symbol: Ge
• Atomnummer: 32
• Elementkategori: Metalloid
• Tetthet: 5.323 g / cm3
• Smeltepunkt: 938,25 ° C (1720,85 ° F)
• Kokepunkt: 2831 ° C (5131 ° F)
• Mohs hardhet: 6,0

Teknisk er Germanium klassifisert som en metalloid eller halvmetall. En av en gruppe av elementer som har egenskaper til både metaller og ikke-metaller.

I sin metalliske form er germanium sølvfarget, hardt og sprøtt.

Germaniums unike egenskaper inkluderer dens transparens for nær infrarød elektromagnetisk stråling (med bølgelengder mellom 1600-1800 nanometer), dens høye brytningsindeks og lave optiske spredning.

Metalloiden er også i sin tur halvledende.

Demitri Mendeleev, faren til det periodiske systemet, spådde eksistensen av element nummer 32, som han navnga ekasilicon, i 1869. Sytten år senere kjemiker Clemens A. Winkler oppdaget og isolerte elementet fra den sjeldne mineralen argyrodite (Ag8GeS6). Han oppkalte elementet etter hjemlandet, Tyskland.

I løpet av 1920-årene resulterte forskning i de elektriske egenskapene til germanium i utviklingen av en-krystall germanium med høy renhet. Enkrystall-germanium ble brukt som korrigerende dioder i mikrobølgeradarmottakere under andre verdenskrig.

Den første kommersielle søknaden om germanium kom etter krigen, etter oppfinnelsen av transistorer av John Bardeen, Walter Brattain og William Shockley på Bell Labs i desember 1947. I årene etter fant germaniumholdige transistorer veien til telefonbryterutstyr, militære datamaskiner, høreapparater og bærbare radioer.

Ting begynte å endre seg etter 1954, da Gordon Teal fra Texas Instruments oppfant a silisium transistor. Germanium-transistorer hadde en tendens til å mislykkes ved høye temperaturer, et problem som kunne løses med silisium. Inntil Teal hadde ingen vært i stand til å produsere silisium med en høy nok renhet til å erstatte germanium, men etter 1954 begynte å erstatte germanium i elektroniske transistorer, og på midten av 1960-tallet var germanium-transistorer praktisk talt ikke-eksisterende.

Nye søknader skulle komme. Suksessen til germanium i tidlige transistorer førte til mer forskning og realisering av germaniums infrarøde egenskaper. Til slutt resulterte dette i at metalloiden ble brukt som en nøkkelkomponent i infrarøde linser og vinduer.

De første Voyager-romfartsoppdragene som ble lansert på 1970-tallet, var avhengige av kraft produsert av silisium-germanium (SiGe) fotovoltaiske celler (PVC). Germanium-baserte PVC-er er fortsatt avgjørende for satellittoperasjoner.

Utviklingen og ekspansjonen eller fiberoptiske nettverk på 1990-tallet førte til økt etterspørsel etter germanium, som brukes til å danne glasskjernen til fiberoptiske kabler.

I 2000 hadde høyeffektiv PVC og lysemitterende dioder (LED) avhengig av germaniumsubstrater blitt store forbrukere av elementet.

Som de fleste mindre metaller produseres germanium som et biprodukt fra raffinering av uedle metaller og blir ikke utvunnet som et primært materiale.

Germanium er ofte produsert av sfæraleritt sink malm, men er også kjent for å være utvunnet fra flyveaske kull (produsert fra kullkraftverk) og noen kobber malm.

Uavhengig av materialkilden blir alle germaniumkonsentrater først renset ved bruk av en klorerings- og destillasjonsprosess som produserer germaniumtetraklorid (GeCl4). Germanium tetraklorid blir deretter hydrolysert og tørket og produserer germanium dioxide (GeO2). Oksydet reduseres deretter med hydrogen for å danne germaniummetallpulver.

Germaniumpulver støpes i stenger ved temperaturer over 938,25 ° C.

Sone-raffinering (en prosess med å smelte og avkjøle) stengene isolerer og fjerner urenheter og til slutt produserer germanium barer med høy renhet. Kommersielt germaniummetall er ofte mer enn 99,999% rent.

Soneraffinert germanium kan videre dyrkes til krystaller, som skiver i tynne biter for bruk i halvledere og optiske linser.

Global produksjon av germanium ble estimert av US Geological Survey (USGS) til omtrent 120 tonn i 2011 (inneholdt germanium).

Anslagsvis 30% av verdens årlige germaniumproduksjon blir resirkulert fra skrapmaterialer, for eksempel pensjonerte IR-linser. Anslagsvis 60% av germanium brukt i IR-systemer er nå resirkulert.

De største germaniumproduserende nasjonene ledes av Kina, der to tredjedeler av alt germanium ble produsert i 2011. Andre store produsenter inkluderer Canada, Russland, USA og Belgia.

Største germaniumprodusenter inkluderer Teck Resources Ltd., Yunnan Lincang Xinyuan Germanium Industrial Co., Umicore og Nanjing Germanium Co.

I følge USGS kan germanium-applikasjoner klassifiseres i 5 grupper (etterfulgt av en omtrentlig prosent av totalforbruket):

1. IR-optikk - 30%
2. Fiberoptikk - 20%
3. Polyetylentereftalat (PET) - 20%
4. Elektronisk og solenergi - 15%
5. Fosfor, metallurgi og organisk - 5%

Germanium-krystaller dyrkes og formes til linser og vindu for optiske systemer for IR eller termisk avbildning. Omtrent halvparten av alle slike systemer, som er sterkt avhengig av militær etterspørsel, inkluderer germanium.

Systemer inkluderer små håndholdte og våpenmonterte enheter, samt luft-, land- og sjøbaserte kjøretøymonterte systemer. Det er gjort anstrengelser for å vokse det kommersielle markedet for germaniumbaserte IR-systemer, for eksempel i high-end biler, men ikke-militære applikasjoner utgjør fortsatt bare 12% av etterspørselen.

Germanium tetraklorid brukes som et dopingmiddel - eller tilsetningsstoff - for å øke brytningsindeksen i kiselglasskjernen i fiberoptiske linjer. Ved å innlemme germanium, forhindres signaltap kan forhindres.

Former av germanium brukes også i underlag for å produsere PVC-er for både rombasert (satellitter) og bakkenettgenerering.

Germaniumsubstrater danner ett lag i flerlagssystemer som også bruker gallium, indiumfosfid og gallium arsenid. Slike systemer, kjent som konsentrert fotovoltaikk (CPV) på grunn av deres bruk av konsentrasjonslinser som forsterker sollyset før det er omdannet til energi, har høye virkningsgrader, men er mer kostbart å produsere enn krystallinsk silisium eller kobber-indium-gallium-diselenid (CIGS) celler.

Omtrent 17 tonn germaniumdioksid brukes som polymerisasjonskatalysator i produksjonen av PET-plast hvert år. PET-plast brukes hovedsakelig i mat-, drikke- og væskebeholdere.

Til tross for at den mislyktes som transistor på 1950-tallet, brukes nå germanium sammen med silisium i transistorkomponenter for noen mobiltelefoner og trådløse enheter. SiGe-transistorer har større koblingshastigheter og bruker mindre strøm enn silisiumbasert teknologi. En sluttbruksapplikasjon for SiGe-brikker er i sikkerhetssystemer til biler.

Andre bruksområder for germanium innen elektronikk inkluderer i-fase minnebrikker, som erstatter flashminne hos mange elektroniske enheter på grunn av deres energisparende fordeler, så vel som i underlag som brukes til produksjon av lysdioder.

_kilder:

_{USGS. 2010 Minerals Yearbook: Germanium. David E. Guberman.}
http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/germanium/

_{Minor Metals Trade Association (MMTA). germanium}
http://www.mmta.co.uk/metals/Ge/

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