Lær om germanium

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

Egenskaper

• Atomisk Symbol: Ge
• Atomisk Antall: 32
• Element Kategori: Metalloid
• Tetthet: 5. 323 g / cm3
• Smeltepunkt: 1720. 85 ° F (938. 25 ° C)
• Kokepunkt: 5131 ° F (2833 ° C)
• Mohs hardhet: 6. 0

Egenskaper

Teknisk er germanium klassifisert som metalloid eller semi-metall. En av en gruppe av elementer som har egenskaper av både metaller og ikke-metaller.

I sin metalliske form er germanium sølv i farge, hard og sprø.

Tysklands unike egenskaper inkluderer gjennomsiktigheten til nær infrarød elektromagnetisk stråling (ved bølgelengder mellom 1600-1800 nanometer), dens høye brytningsindeks og dens lave optiske dispersjon.

Metalloid er også iboende halvledende.

Historie

Demitri Mendeleev, faren til det periodiske bordet, forutsier eksistensen av element nummer 32, som han heter ekasilicon , i 1869. Sytten år senere oppdaget kjemiker Clemens A. Winkler og isolerte elementet fra den sjeldne mineral argyroditt (Ag8GeS6). Han heter elementet etter sitt hjemland, Tyskland.

I løpet av 1920-tallet resulterte undersøkelsen av germaniums elektriske egenskaper i utviklingen av høy renhet, single-crystal germanium. Single-crystal germanium ble brukt som korrigerende dioder i mikrobølge radarmottakere under andre verdenskrig.

Den første kommersielle søknaden om germanium kom etter krigen, etter oppfinnelsen av transistorer av John Bardeen, Walter Brattain og William Shockley i Bell Labs i desember 1947.

I årene som følger , tyskiumholdige transistorer fant veien inn i telefonbryterutstyr, militære datamaskiner, høreapparater og bærbare radioer.

Ting begynte å forandre seg etter 1954, da Gordon Teal fra Texas Instruments oppfant en silikon transistor. Germanium-transistorer hadde en tendens til å mislykkes ved høye temperaturer, et problem som kunne løses med silisium.

Inntil Teal, ingen hadde vært i stand til å produsere silisium med høy nok renhet for å erstatte germanium, men etter 1954 begynte silisium å erstatte germanium i elektroniske transistorer, og ved midten av 1960-tallet var germanium-transistorer nesten ikke-eksisterende.

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

De første Voyager-romforskningsoppdragene ble lansert på 1970-tallet, avhengig av kraft produsert av silikon-germanium (SiGe) fotovoltaiske celler (PVCs).Germanium-baserte PVC er fortsatt kritisk for satellittoperasjoner.

Utviklings- og ekspansjons- eller fiberoptisk nettverk i 1990-årene førte til økt etterspørsel etter germanium, som brukes til å danne glasskjernen i fiberoptiske kabler.

I 2000 ble høyeffektiv PVC og lysdioder (LED) avhengig av germaniumsubstrater blitt store forbrukere av elementet.

Produksjon

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

Germanium produseres mest fra sphaleritt sinkmalm, men er også kjent for å bli ekstrahert fra fly ashkol (produsert fra kullkraftverk) og noen kobbermalm.

Uavhengig av materialkilden, blir alle germanium-konsentrater først renset ved bruk av en klorerings- og destillasjonsprosess som produserer germaniumtetraklorid (GeCl4). Germaniumtetraklorid hydrolyseres og tørkes deretter, hvilket gir germaniumdioxid (GeO2). Oksydet blir deretter redusert med hydrogen for å danne germaniummetallpulver.

Germanium pulver kastes i barer ved temperaturer over 1720. 85 ° F (938. 25 ° C).

Sone-raffinering (en prosess med smelting og kjøling) stengene isolerer og fjerner urenheter og til slutt produserer germaniumstenger med høy renhet. Kommersiell germaniummetall er ofte mer enn 99. 999% rent.

Sone-raffinert germanium kan videre dyrkes i krystaller som er skåret i tynne stykker for bruk i halvledere og optiske linser.

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

Omtrent 30% av verdens årlige germaniumproduksjon gjenvinnes fra skrapmaterialer, som pensjonert IR-objektiver. Anslagsvis 60% av germanium brukt i IR-systemer er nå resirkulert.

De største germaniumproducerende landene ledes av Kina, hvor to tredjedeler av all germanium ble produsert i 2011. Andre store produsenter inkluderer Canada, Russland, USA og Belgia.

Major germanium-produsenter inkluderer Teck Resources Ltd., Yunnan Lincang Xinyuan German Industrial Co., Umicore og Nanjing Germanium Co.

Applikasjoner

Ifølge USGS kan germanium-søknader klassifiseres i 5 grupper (etterfulgt av en omtrentlig prosentandel av totalt forbruk):

IR optikk - 30%

1. Fiberoptikk - 20%
2. Polyetylentereftalat (PET) - 20%
3. Elektronikk og sol - 15%
4. Fosfor, metallurgi og organisk - 5%
5. Germanium krystaller blir dyrket og dannet i linser og vinduer til optiske eller optiske IR-systemer. Omtrent halvparten av alle slike systemer, som er sterkt avhengig av militær etterspørsel, inkluderer germanium.

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

Germanium tetraklorid brukes som dopemiddel - eller additiv - for å øke brytningsindeksen i kiselglasskjernen av fiberoptiske linjer. Ved å inkorporere germanium kan signalforebygging forhindres.

Former av germanium brukes også i underlag for å produsere PVC for både rombasert (satellitter) og jordbasert kraftproduksjon.

Germaniumsubstrater danner ett lag i flerlagssystemer som også bruker gallium, indiumfosfid og galliumarsenid. Slike systemer, kjent som konsentrerte fotovoltaika (CPVer) på grunn av deres bruk av konsentrerende linser som forstørrer sollyset før det omdannes til energi, har høyeffektivitetsnivåer, men er mer kostbare å produsere enn krystallinsk silisium eller kobber-indium-gallium- diselenid-celler (CIGS).

Om lag 17 tonn germaniumdioxyd brukes som polymeriseringskatalysator i produksjonen av PET-plast hvert år. PET plast brukes hovedsakelig i mat, drikkevarer og væskebeholdere.

Til tross for sviktet som transistor på 1950-tallet, er germanium nå brukt sammen med silisium i transistorkomponenter for noen mobiltelefoner og trådløse enheter. SiGe-transistorer har større koblingshastigheter og bruker mindre strøm enn silisiumbasert teknologi. En sluttbruksområde for SiGe-chips er i bilbransjenes sikkerhetssystemer.

Andre anvendelser for germanium i elektronikk er inkludert i fasehukommelseschips, som erstatter flashminne i mange elektroniske enheter på grunn av deres energibesparende fordeler, samt i underlag som brukes til produksjon av lysdioder.

Kilder:

_{USGS. 2010 Mineraler Årbok: Germanium. David E. Guberman.}

_{// mineraler. USGS. gov / mineraler / puber / råvare / germanium /}
Minor Metals Trade Association (MMTA). Germanium

_{// www. mmta. co. Storbritannia / Metaller / Ge /}
CK722 Museum. Jack Ward.

_{// www. ck722museum. no /}