Hämta info om egenskaperna, historiken, produktionen och programmen
Germanium är en sällsynt silverfärgad halvledarmetall som används i infraröd teknik, fiberoptiska kablar och solceller.
Egenskaper
- Atomsymbol: Ge
- Atomnummer: 32
- Element Kategori: Metalloid
- Densitet: 5,323 g / cm3
- Smältpunkt: 1720,85 ° F (938,25 ° C)
- Kokpunkt: 5131 ° F (2833 ° C)
- Mohs hårdhet: 6,0
egenskaper
Tekniskt klassificeras germanium som metalloid eller semi-metall. En av en grupp av element som har egenskaper hos både metaller och icke-metaller.
I metallisk form är germanium silver i färg, hård och spröd.
Germaniums unika egenskaper inkluderar dess transparens för nära infraröd elektromagnetisk strålning (vid våglängder mellan 1600-1800 nanometer), dess höga brytningsindex och dess låga optiska dispersion.
Metalloid är också i sig halvledande.
Historia
Demitri Mendeleev, fadern till det periodiska bordet, förutspådde existensen av elementnummer 32, som han kallade ekasilikon , 1869. Sjutton år senare upptäckte kemisten Clemens A. Winkler elementet från den sällsynta mineralargyroditen (Ag8GeS6). Han namngav elementet efter sitt hemland, Tyskland.
Under 1920-talet resulterade undersökningen av germaniums elektriska egenskaper i utvecklingen av hög renhet, enkelkristall germanium. Singelkristall germanium användes som korrigeringsdioder i mikrovågsradarmottagare under andra världskriget.
Den första kommersiella ansökan om germanium kom efter kriget, efter transistors uppfinning av John Bardeen, Walter Brattain och William Shockley vid Bell Labs i december 1947.
Under de följande åren hittade germaniuminnehållande transistorer sig in i telefonväxlingsutrustning, militära datorer, hörapparater och bärbara radioapparater.
Saker började förändras efter 1954, emellertid, när Gordon Teal av Texas Instruments uppfann en kiseltransistor. Germaniumtransistorer hade en tendens att misslyckas vid höga temperaturer, ett problem som kunde lösas med kisel.
Fram till Teal hade ingen kunnat producera kisel med tillräckligt hög renhet för att ersätta germanium, men efter 1954 började kisel ersätta germanium i elektroniska transistorer, och i mitten av 1960-talet var germaniumtransistorer praktiskt taget obefintliga.
Nya applikationer skulle komma. Tysklands framgång i tidiga transistorer ledde till mer forskning och förverkligandet av germaniums infraröda egenskaper. I slutändan resulterade detta i att metalloid användes som en nyckelkomponent av infraröda (IR) linser och fönster.
De första Voyager-rymdutforskningsuppdrag som lanserades på 1970-talet gällde kraft producerad av kisel-germanium (SiGe) fotovoltaiska celler (PVCs). Germaniumbaserade PVC är fortfarande kritiska för satellitoperationer.
Utvecklings- och expansions- eller fiberoptiska nät på 1990-talet ledde till ökad efterfrågan på germanium, som används för att bilda glaskeramik i fiberoptiska kablar.
Vid år 2000 hade högaffektiv PVC och lysdioder (LED), som var beroende av germaniumsubstrat, blivit stora konsumenter av elementet.
Produktion
Som de flesta mindre metaller framställs germanium som en biprodukt av raffinering av oädelmetaller och minskar inte som ett primärt material.
Germanium produceras vanligtvis av sphaleritzinkmalmer men är också känt för att extraheras från flygaska kol (producerat från kolkraftverk) och vissa kopparmalm .
Oberoende av materialkällan renas alla germaniumkoncentrat först med en klorerings- och destillationsprocess som producerar germaniumtetraklorid (GeCl4). Germaniumtetraklorid hydrolyseras därefter och torkas, vilket ger germaniumdioxid (GeO2). Oxiden reduceras sedan med väte för att bilda germaniummetallpulver.
Germanium-pulver gjutes i stänger vid temperaturer över 1720,85 ° F (938,25 ° C).
Zonraffinering (en smält- och kylprocess) barerna isolerar och avlägsnar föroreningar och producerar slutligen germaniumstavar med hög renhet. Kommersiell germaniummetall är ofta mer än 99,999% ren.
Zonförfinat germanium kan vidare odlas i kristaller, som skivas i tunna bitar för användning i halvledare och optiska linser.
Den globala produktionen av germanium uppskattades av US Geological Survey (USGS) till cirka 120 ton 2011 (innehöll germanium).
Uppskattningsvis 30% av världens årliga germaniumproduktion återvinns från skrotmaterial, till exempel pensionerade IR-objektiv. Uppskattad 60% av germanium som används i IR-system återvinns nu.
De största germaniumproducerande nationerna leddes av Kina, där två tredjedelar av all germanium producerades 2011. Andra stora tillverkare är Kanada, Ryssland, USA och Belgien.
Större germaniumproducenter inkluderar Teck Resources Ltd. , Yunnan Lincang Xinyuan Germanium Industrial Co., Umicore och Nanjing Germanium Co.
tillämpningar
Enligt USGS kan germaniumapplikationer klassificeras i 5 grupper (följt av en ungefärlig andel av den totala förbrukningen):
- IR-optik - 30%
- Fiberoptik - 20%
- Polyetylentereftalat (PET) - 20%
- Elektronisk och sol - 15%
- Fosfor, metallurgi och organisk - 5%
Germaniumkristaller odlas och formas till linser och fönstren för optiska system för IR eller termisk bildning. Ungefär hälften av alla sådana system, som är starkt beroende av militär efterfrågan, innefattar germanium.
Systemen innehåller små handhållna och vapenmonterade anordningar, liksom luft-, land- och sjöbaserade fordonsmonterade system. Arbetet har gjorts för att växa den kommersiella marknaden för germaniumbaserade IR-system, såsom i high-end-bilar, men icke-militära applikationer står fortfarande för endast cirka 12% av efterfrågan.
Germanium tetraklorid används som dopmedel - eller tillsatsmedel - för att öka brytningsindexet i kiselglaskärnan av fiberoptiska linjer. Genom att integrera germanium kan signalförlusten förhindras förhindras.
Former av germanium används också i substrat för att producera PVC för både rymdbaserade (satelliter) och markbundna kraftproduktion.
Germaniumsubstrat utgör ett lager i flerlagssystem som också använder gallium, indiumfosfid och galliumarsenid. Sådana system, kända som koncentrerad fotovoltaik (CPV) på grund av deras användning av koncentrerande linser som förstorar solljuset innan det omvandlas till energi, har höga effektivitetsnivåer men är dyrare att tillverka än kristallin kisel eller koppar-indium-gallium- diselenidceller (CIGS).
Omkring 17 ton germaniumdioxid används som polymeriseringskatalysator i produktionen av PET-plast varje år. PET-plast används främst i mat, dryck och flytande behållare.
Trots dess misslyckande som en transistor på 1950-talet, används germanium nu i kombination med kisel i transistorkomponenter för vissa mobiltelefoner och trådlösa enheter. SiGe-transistorer har större växlingshastigheter och använder mindre effekt än kiselbaserad teknik. En enda användarapplikation för SiGe-chips finns i bilens säkerhetssystem.
Andra användningsområden för germanium i elektronik ingår i fasminneschips, som ersätter flashminne i många elektroniska enheter på grund av sina energibesparande fördelar, liksom i substrat som används vid produktion av lysdioder.
källor:
USGS. 2010 Mineraler Årbok: Germanium. David E. Guberman.
http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/germanium/
Mindre Metals Trade Association (MMTA). germanium
http://www.mmta.co.uk/metals/Ge/
CK722 Museum. Jack Ward.
http://www.ck722museum.com/