Germanium je vzácný, stříbrně zbarvený polovodičový kov, který se používá v infračervené technologii, kabelech z optických vláken a solárních článcích.
Vlastnosti
- Atomový symbol: Ge
- Atomové číslo: 32
- Kategorie prvku: Metalloid
- Hustota: 5,323 g / cm3
- Bod tání: 1720,85 ° F (938,25 ° C)
- Bod varu: 2 331 ° F (2833 ° C)
- Mohsova tvrdost: 6,0
Vlastnosti
Technicky je germanium klasifikováno jako metaloid nebo polokov. Jeden ze skupiny prvků, které mají vlastnosti jak kovů, tak nekovů.
Ve své kovové formě je germanium stříbrné barvy, tvrdé a křehké.
K jedinečným vlastnostem Germania patří její průhlednost vůči blízkému infračervenému elektromagnetickému záření (na vlnových délkách mezi 1600 - 1800 nanometrů), jeho vysoký index lomu a nízký optický rozptyl.
Metaloid je také přirozeně polovodivý.
Dějiny
Demitri Mendeleev, otec periodické tabulky, předpovídal existenci prvku číslo 32, který jmenoval ekasilicon, v roce 1869. O sedmnáct let později chemik Clemens A. Winkler objevil a izoloval prvek od vzácného minerálního argyroditu (Ag8GeS6). Tento prvek pojmenoval po své vlasti, Německu.
Během dvacátých let vedl výzkum elektrických vlastností germania k vývoji vysoce čistého monokrystalického germania. Monokrystalické germanium bylo používáno jako usměrňovací diody v mikrovlnných radarových přijímačích během druhé světové války.
První komerční aplikace pro germanium přišla po válce, následovat vynález tranzistorů John Bardeen, Walter Brattain, a William Shockley u Bell laboratoří v prosinci 1947. V následujících letech si tranzistory obsahující germanium našly cestu do telefonních přepínacích zařízení, vojenských počítačů, sluchadel a přenosných rádií.
Věci se začaly měnit po roce 1954, když Gordon Teal z Texas Instruments vynalezl křemík tranzistor. Germaniové tranzistory měly tendenci k selhání při vysokých teplotách, což byl problém, který lze vyřešit křemíkem. Až do Teal, nikdo nebyl schopný produkovat křemík s dostatečně vysokou čistotou nahradit germanium, ale po 1954 křemíku začalo nahrazovat germanium v elektronických tranzistorech a do poloviny 60. let byly germaniové tranzistory prakticky neexistující.
Nové aplikace měly přijít. Úspěch germania v časných tranzistorech vedl k dalšímu výzkumu a realizaci infračervených vlastností germania. Nakonec to vedlo k tomu, že se metaloid používal jako klíčová součást infračervených (IR) čoček a oken.
První vesmírné průzkumné mise Voyager zahájené v 70. letech se spoléhaly na energii vyráběnou fotovoltaickými články křemík-germanium (SiGe) (PVC). Germanium-PVC jsou stále důležitá pro satelitní provoz.
Vývoj a expanze nebo optické sítě v 90. letech vedly ke zvýšené poptávce po germaniu, které se používá k vytvoření skleněného jádra optických kabelů.
Do roku 2000 se vysoce spotřebitelé tohoto prvku stali vysoce účinnými PVC a diodami emitujícími světlo (LED) závislými na germaniových substrátech.
Výroba
Stejně jako většina menších kovů se germanium vyrábí jako vedlejší produkt rafinace obecných kovů a není těženo jako primární materiál.
Germanium se nejčastěji vyrábí ze sfaleritu zinek rudy, ale je také známo, že se získává z uhlí popílku (vyráběného z uhelných elektráren) a některých měď rudy.
Bez ohledu na zdroj materiálu jsou všechny koncentráty germania nejprve čištěny pomocí chlorace a destilace, čímž se získá chlorid germannatý (GeCl4). Chlorid germannatý je poté hydrolyzován a sušen za vzniku oxidu germannatého (GeO2). Oxid se potom redukuje vodíkem za vzniku kovového prášku germania.
Germanium prášek se odlévá do tyčí při teplotách nad 938,25 ° C (938,25 ° F).
Rafinace zón (proces tavení a chlazení) izoluje a odstraňuje nečistoty a nakonec produkuje germaniové tyčinky s vysokou čistotou. Komerční kov germania má často čistotu více než 99,999%.
Zoně rafinované germanium může být dále pěstováno v krystaly, které jsou nakrájeny na tenké kousky pro použití v polovodičích a optických čočkách.
Globální produkce germania byla podle geologického průzkumu USA (USGS) odhadnuta v roce 2011 na zhruba 120 metrických tun (obsažené germanium).
Odhaduje se, že 30% celosvětové roční výroby germania je recyklováno ze šrotu, jako jsou IR čočky v důchodu. Odhaduje se, že 60% germania používaného v IR systémech je nyní recyklováno.
Největší národy produkující germanium jsou vedeny Čínou, kde byly v roce 2011 vyprodukovány dvě třetiny veškerého germania. Mezi další významné výrobce patří Kanada, Rusko, USA a Belgie.
Mezi hlavní producenty germania patří Teck Resources Ltd., Yunnan Lincang Xinyuan Germanium Industrial Co., Umicore a Nanjing Germanium Co.
Aplikace
Podle USGS lze germaniové aplikace rozdělit do 5 skupin (následuje přibližné procento celkové spotřeby):
- IR optika - 30%
- Vláknová optika - 20%
- Polyethylen tereftalát (PET) - 20%
- Elektronické a solární - 15%
- Fosfory, metalurgie a organické látky - 5%
Krystaly germania se pěstují a formují do čoček a okénka pro infračervené nebo termální zobrazovací optické systémy. Asi polovina všech takových systémů, které jsou silně závislé na vojenské poptávce, zahrnuje germánium.
Mezi systémy patří malá ruční a zbraňová zařízení, jakož i systémy namontované na vzduchu, na zemi a na moři. Bylo vyvinuto úsilí o růst komerčního trhu s infračervenými systémy založenými na germaniu, například u špičkových automobilů, ale nevojenské aplikace stále představují pouze asi 12% poptávky.
Chlorid germanium se používá jako dopant - nebo aditivum - ke zvýšení indexu lomu v jádru z křemičitého skla optických linií. Začleněním germania lze zabránit ztrátě signálu.
Formy germania se také používají v substrátech k výrobě PVC pro vesmírnou výrobu (satelity) i pro pozemní výrobu energie.
Substráty Germanium tvoří jednu vrstvu ve vícevrstvých systémech, které také používají gallium, indium fosfid a gallium arsenid. Takové systémy, známé jako koncentrované fotovoltaické systémy (CPV), kvůli jejich použití koncentrujících čoček, které před slunečním světlem zvětší sluneční světlo přeměněné na energii, mají vysokou úroveň účinnosti, ale jejich výroba je nákladnější než krystalický křemík nebo měď-indium-gallium-diselenid (CIGS) buňky.
Jako polymerační katalyzátor se při výrobě PET plastů ročně používá zhruba 17 metrických tun oxidu germaničitého. PET plast se používá především v nádobách na potraviny, nápoje a tekutiny.
Přes jeho selhání jako tranzistor v padesátých létech, germanium je nyní používáno v tandemu se křemíkem v tranzistorových komponentách pro některé mobilní telefony a bezdrátová zařízení. Tranzistory SiGe mají vyšší spínací rychlosti a spotřebovávají méně energie než technologie na bázi křemíku. Jedna koncová aplikace pro čipy SiGe je v automobilových bezpečnostních systémech.
Další využití germania v elektronice zahrnují fázové paměťové čipy, které v mnoha nahrazují flash paměť elektronická zařízení díky jejich výhodám úspory energie a také v substrátech používaných při výrobě LED.
Zdroje:
USGS. Ročenka minerálů 2010: Germanium. David E. Guberman.
http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/germanium/
Svaz pro drobné kovy (MMTA). Germanium
http://www.mmta.co.uk/metals/Ge/
CK722 Muzeum. Jack Ward.
http://www.ck722museum.com/