Германијум је редак, полуводички метал сребрне боје који се користи у инфрацрвеној технологији, оптичким кабловима и соларним ћелијама.
Својства
- Атомски симбол: Ге
- Атомски број: 32
- Елемент Категорија: Металлоид
- Густина: 5.323 г / цм3
- Тачка топљења: 938,25 ° Ф
- Тачка кључања: 2833 ° Ц
- Мохсова тврдоћа: 6.0
Карактеристике
Технички је германијум класификован као металлоид или полу-метал. Један је из групе елемената који поседују својства и метала и неметала.
У свом металном облику, германијум је сребрне боје, тврд и ломљив.
Јединствене карактеристике Германија укључују његову транспарентност у близини инфрацрвеног електромагнетног зрачења (на таласним дужинама између 1600-1800 нанометара), висок индекс лома и низак оптички дисперзија.
Металлоид је такође својствен полуводички.
Историја
Демитри Менделеев, отац периодичне табеле, предвидио је постојање елемента број 32, који је он именовао екасилицон, 1869. Седамнаест година касније хемичар Цлеменс А. Винклер је открио и изоловао елемент из ретког минералног аргиродита (Аг8ГеС6). Елемент је назвао по својој домовини Немачкој.
Током 1920-их, истраживање електричних својстава германијума резултирало је развојем једноличног германија високе чистоће. Једнокристални германијум коришћен је као исправљајуће диоде у микроталасним радарским пријемницима током Другог светског рата.
Прва комерцијална апликација за германијум уследила је после рата, после проналаска транзистора Јохн Бардеен-а, Валтера Браттаин-а и Виллиама Схоцклеија у Белл Лабс-у у децембру 1947. У годинама које су уследиле, транзистори који садрже германијум нашли су се у опреми за пребацивање телефона, војним рачунарима, слушним апаратима и преносним радио уређајима.
Ствари су се почеле мењати после 1954., када је Гордон Теал из компаније Текас Инструментс изумио силицијум транзистор. Германијум транзистори су имали тенденцију отказа при високим температурама, проблем који се могао решити силицијумом. Све до Теал-а, нико није успео да произведе силицијум довољно чисте да замени германијум, али после 1954. почео замену германијума у електронским транзисторима, а средином 1960-их, германијум транзистори су били практично непостојеће.
Требале су стићи нове пријаве. Успех германијума у раним транзисторима довео је до још истраживања и реализације германијум-инфрацрвених својстава. Коначно, то је резултирало коришћењем металоида као кључне компоненте инфрацрвених (ИР) сочива и прозора.
Прве воиагер-ове свемирске истражне мисије, покренуте 1970-их, ослањале су се на снагу произведену силицију-германијумом (СиГе) фотонапонским ћелијама (ПВЦ). ПВЦ-ови на бази германија и даље су критични за сателитске операције.
Развој и ширење или мрежа оптичких влакана током 1990-их довели су до повећане потражње за германијом, који се користи за формирање стаклене језгре оптичких каблова.
До 2000. године, високо ефикасни ПВЦ-и и светлеће диоде (ЛЕД) зависне од германијумских подлога постали су велики потрошачи елемента.
Производња
Као и већина мањих метала, германијум се производи као нуспроизвод рафинирања базних метала и не вади се као примарни материјал.
Германијум се најчешће производи од сфалерита цинк руде, али се такође зна да се извлачи из летећег пепела (произведеног из електрана на угаљ) и неких бакар руда
Без обзира на извор материјала, сви концентрати германија се прво пречишћавају поступком хлорирања и дестилације који производе германијев тетраклорид (ГеЦл4). Германијум тетраклорид се затим хидролизује и суши, стварајући германијум диоксид (ГеО2). Затим се оксид редукује са водоником да би се добио прах метала германијум.
Германијум прах се улива у баре на температурама преко (938,25 ° Ц) од 1720,85 ° Ф.
Зонско рафинирање (процес топљења и хлађења) шипке изолује и уклања нечистоће и, на крају, ствара германијум шипке високе чистоће. Комерцијални германијумски метал је често више од 99,999%.
Зоне рафинирани германијум може се даље развити у кристале, који су резани у танке комаде за употребу у полуводичима и оптичким сочивима.
Америчка геолошка анкета (УСГС) проценила је глобалну производњу германија у 2011. години на око 120 метричких тона (садржао је германијум).
Процјењује се да 30% годишње свјетске производње германија рециклира из отпадних материјала, попут повлачених ИР сочива. Процењује се да се 60% германијума који се користи у ИР системима сада рециклира.
Највеће државе које производе германиј предводи Кина, где је у 2011. произведено две трећине целокупног германијума. Остали главни произвођачи укључују Канаду, Русију, САД и Белгију.
Главни произвођачи германија укључују Тецк Ресоурцес Лтд., Иуннан Линцанг Ксиниуан Германиум Индустриал Цо., Умицоре и Нањинг Германиум Цо.
Апликације
Према УСГС, апликације за германиј могу се сврстати у 5 група (после чега следи приближни проценат укупне потрошње):
- ИЦ оптика - 30%
- Оптичка влакна - 20%
- Полиетилен терефталат (ПЕТ) - 20%
- Електронски и соларни - 15%
- Фосфор, металургија и органско - 5%
Кристали германија се узгајају и формирају у сочива и прозор за оптичке системе за ИР или термичку слику. Отприлике половина свих таквих система, који су јако зависни од војне потражње, укључује германијум.
Системи укључују мале ручне и оружје монтиране уређаје, као и ваздушне, копнене и морске системе на возилу. Уложени су напори за ширење комерцијалног тржишта за ИР-системе засноване на германију, као што су то у аутомобилима високог ценовног ранга, али неимилитарне апликације и даље чине само око 12% потражње.
Германијум тетраклорид се користи као додатак - или адитив - за повећање индекса лома у језгри силика стакла влакана оптичких линија. Укључивањем германија може се спречити губитак сигнала.
Облици германијума се такође користе у супстратима за производњу ПВЦ-а за свемирске (сателите) и земаљске производње енергије.
Германијеви супстрати формирају један слој у вишеслојним системима који такође користе галијум, индијум фосфид и галијум арсенид. Такви системи, познати као концентровани фотонапонски уређаји (ЦПВ) због коришћења концентрационих сочива, која увећавају соларно светло пре него што је претворени у енергију, имају висок степен ефикасности, али су скупљи за производњу од кристалног силицијума или бакар-индијум-галијум-диселенида (ЦИГС) ћелије.
Отприлике 17 метричких тона германијум-диоксида користи се као катализатор полимеризације у производњи ПЕТ пластике сваке године. ПЕТ пластика се првенствено користи у посудама за храну, пића и течности.
Упркос неуспеху транзистора 1950-их, германијум се данас користи у тандему са силицијумом у компонентама транзистора за неке мобилне телефоне и бежичне уређаје. СиГе транзистори имају веће брзине пребацивања и користе мању снагу него технологија заснована на силицијуму. Једна крајња употреба за СиГе чипове налази се у аутомобилским безбедносним системима.
Остале употребе германија у електроници укључују инфазне меморијске чипове, који у већини случајева замењују флеш меморију електронски уређаји због користи од уштеде енергије, као и код супстрата који се користе у производњи ЛЕД-ова.
Извори:
УСГС. Годишњак о минералима за 2010. годину: Германијум. Давид Е. Губерман.
http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/germanium/
Удружење за трговину малим металима (ММТА). Германијум
http://www.mmta.co.uk/metals/Ge/
Музеј ЦК722 Јацк Вард.
http://www.ck722museum.com/