Információkat szerezhet be a Tulajdonságok, Előzmények, Termelés és Alkalmazások menüpont alatt
A germánium ritka, ezüst színű félvezető fém, amelyet infravörös technológia, száloptikai kábelek és napelemek használnak.
Tulajdonságok
- Atomi szimbólum: Ge
- Atomszám: 32
- Elem kategória: Metalloid
- Sűrűség: 5,323 g / cm3
- Olvadáspont: 1720,85 ° C (938,25 ° C)
- Forráspont: 5131 ° F (2833 ° C)
- Mohs keménysége: 6.0
Jellemzők
Technikailag a germánium metalloid vagy félfémként van besorolva. Az egyik olyan elemcsoport, amely mind a fémek, mind a nemfémek tulajdonságait tartalmazza.
A fémes formában a germánium ezüst színű, kemény és törékeny.
A germánium egyedülálló jellemzői közé tartozik a közel infravörös elektromágneses sugárzás (1600-1800 nm hullámhosszon), nagy törésmutatója és alacsony optikai diszperziója.
A metalloid is lényegében félvezető.
Történelem
Demitri Mendeleev, az időszakos asztal apja, megjósolta, hogy létezik a 32-es elem, amelyet 1853- ban ekasilikonnak neveztek. Tizenhét évvel később Clemens A. Winkler vegyész fedezte fel és izolálta az elemet a ritka ásványi argyroditából (Ag8GeS6). Az elemet a szülőföldje, Németország után nevezte el.
Az 1920-as években a germánium elektromos tulajdonságainak vizsgálata nagy tisztaságú, egykristályos germánium kifejlesztését eredményezte. Egykristályos germániumot használtak egyenirányító diódákként a mikrohullámú radar vevőkben a második világháború idején.
A germánium első kereskedelmi kérelme a háború után jött létre, miután 1947 decemberében John Bardeen, Walter Brattain és William Shockley a Bell Labs-on átírják a tranzisztorokat.
A következő években a germániumot tartalmazó tranzisztorok telefonos átkapcsoló berendezést, katonai számítógépet, hallókészüléket és hordozható rádiókat találtak.
A dolgok azonban 1954 után változnak, amikor Gordon Teal Texas Instruments kitalált egy szilícium tranzisztort. A germánium tranzisztorok hajlamosak voltak kudarcra fulladni magas hőmérsékleten, ami probléma megoldható szilíciummal.
Tealig senki sem tudott elegendően tisztaságú szilíciumot előállítani a germánium helyére, de 1954 után a szilícium a germániumot elektronikus tranzisztorokba helyezte és az 1960-as évek közepéig a germánium tranzisztorok gyakorlatilag nem léteztek.
Új alkalmazások jöhetnek. A germánium sikere a korai tranzisztorokban több kutatáshoz és a germánium infravörös tulajdonságainak megvalósításához vezetett. Végül ez azt eredményezte, hogy a metalloid az infravörös (IR) objektívek és ablakok kulcsfontosságú elemeként került felhasználásra.
Az 1970-es években elindított első Voyager űrkutatási küldetések szilícium-germánium (SiGe) fotovoltaikus cellák (PVC) által termelt teljesítményre támaszkodtak. A germánium alapú PVC-k még mindig kritikusak a műholdas műveletek szempontjából.
Az 1990-es évek fejlődésének és bővítésének, illetve a száloptikai hálózatoknak köszönhetően nőtt a germánium iránti kereslet, amelyet a száloptikai kábelek üveg magjának kialakítására használnak.
2000-re a germánium szubsztrátoktól függő nagy hatékonyságú PVC-k és fénykibocsátó diódák (LED-ek) az elem nagy fogyasztói lettek.
Termelés
A legtöbb kisebb fémhez hasonlóan a germánium az alapfém-finomítás mellékterméke, és nem bányásznak mint elsődleges anyag.
A germániát leggyakrabban a sphalerite cinkércekből állítják elő, de ismert, hogy kivonják a szénerőművekből előállított szénbányából és néhány rézércből.
Az anyag forrásától függetlenül minden germánium koncentrátumot először klórozási és desztillációs eljárással tisztítanak, amely germánium-tetrakloridot (GeCl4) termel. A germánium-tetrakloridot ezután hidrolizáljuk és szárítjuk, így germánium-dioxidot (GeO2) állítunk elő. Az oxidot ezután hidrogénnel redukáljuk, így képződik a germánium fémpor.
A germánium porát rudakba öntjük 938,25 ° C-on.
Zóna finomítás (olvadás és hűtés) a rudak izolálják és eltávolítják a szennyeződéseket, és végül nagy tisztaságú germánium rudakat hoznak létre. A kereskedelmi germániumfém gyakran több mint 99,999% tisztaságú.
A zónás finomított germánium tovább továbbítható kristályokká, amelyeket vékony darabokra szeletelnek a félvezetőkben és optikai lencsékben való használatra.
A germánium globális termelését az US Geological Survey (USGS) becslése szerint 2011-ben nagyjából 120 tonna (germánium) volt.
A világ éves germániumtermelésének becslések szerint 30% -át újrahasznosítják hulladékanyagokból, például a nyugdíjas IR-lencsékből. A becslések szerint az IR rendszerekben használt germánium 60% -át most újrahasznosítják.
A legnagyobb germánium termelő országokat Kína vezette, ahol 2011-ben az összes germánium kétharmadát állították elő. További jelentős gyártók Kanada, Oroszország, USA és Belgium.
A főbb germánium gyártók közé tartoznak a Teck Resources Ltd. , a Yunnan Lincang Xinyuan Germanium Industrial Co., az Umicore és a Nanjing Germanium Co.
Alkalmazások
Az USGS szerint a germánium alkalmazások öt csoportba sorolhatók (ezt követi a teljes fogyasztás hozzávetőleges százalékos aránya):
- IR optika - 30%
- Száloptika - 20%
- Polietilén-tereftalát (PET) - 20%
- Elektronikus és napenergia - 15%
- Foszforok, kohászat és szerves anyagok - 5%
Germánium kristályokat termesztenek és lencsékké és ablakokká alakítják az infravörös vagy hőképes optikai rendszerekhez. A katonai keresletnek nagymértékben függő ilyen rendszerek fele, köztük a germánium.
A rendszerek közé tartoznak a kis kézi és fegyveres eszközök, valamint a levegő, a szárazföld és a tengeri alapú járműszerelt rendszerek. Erőfeszítéseket tettek a germánium alapú infravörös rendszerek kereskedelmi piacának növelésére, például a csúcskategóriás autók esetében, de a nem szabadidős alkalmazások továbbra is a kereslet mindössze 12% -át teszik ki.
A germánium-tetrakloridot adalékként - vagy adalékként - használják a rost optikai vonalak szilícium-dioxid üveg magjában lévő törésmutató növelésére. A germánium beépítésével a jelveszteség megakadályozható.
A germánium formái a szubsztrátumokban is használatosak PVC-k előállítására mind térben (műholdaknál), mind a földi energiatermelésnél.
A germánium szubsztrátumok egy réteget képeznek a többrétegű rendszerekben, amelyek galliumot, indium-foszfidot és gallium- arzént is használnak. Az ilyen, koncentrált fotovoltaikaként (CPV-ként) ismert koncentráló lencséknek köszönhetően a napsugárzás energiát átváltoztató lencsék nagy hatékonyságúak, de költségesebbek, mint a kristályos szilícium vagy réz-indium-gallium- diselenid (CIGS) sejteket.
Körülbelül 17 tonna germánium-dioxidot használnak polimerizációs katalizátorként a PET műanyagok előállítása során. A PET műanyagot elsősorban élelmiszerekben, italokban és folyékony tartályokban használják.
Annak ellenére, hogy az 1950-es években tranzisztorként meghibásodott, a germániumot jelenleg használják a tranzisztoros alkatrészek szilíciumos részeként néhány mobiltelefon és vezeték nélküli eszköz számára. A SiGe tranzisztorok nagyobb kapcsolási sebességgel rendelkeznek, és kevesebb energiát használnak, mint a szilícium alapú technológiák. A SiGe chipek egyik végfelhasználói alkalmazása az autóipari biztonsági rendszerekben van.
A germánium elektronikai felhasználási lehetőségei közé tartoznak a fázismemória-chipek is, amelyek sok elektronikus eszközben a flash memóriát helyettesítik az energiatakarékos előnyök miatt, valamint a LED-ek előállításához használt hordozókon.
Forrás:
USGS. 2010 Ásványok Évkönyv: Germánium. David E. Guberman.
http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/germanium/
Mineral Metals Trade Association (MMTA). Germánium
http://www.mmta.co.uk/metals/Ge/
CK722 Múzeum. Jack Ward.
http://www.ck722museum.com/