Германий е рядък полупроводников метал със сребрист цвят, който се използва в инфрачервена технология, оптични кабели и соларни клетки.
Имоти
- Атомен символ: Ге
- Атомно число: 32
- Елемент Категория: Металоид
- Плътност: 5.323 g / cm3
- Точка на топене: 938.25 ° F 1720.85 ° F
- Точка на кипене: 2833 ° C 5131 ° F
- Mohs твърдост: 6.0
Характеристики
Технически германийът е класифициран като неметал или полуметал. Един от група елементи, които притежават свойства както на метали, така и на неметали.
В своята метална форма германийът е сребрист на цвят, твърд и крехък.
Уникалните характеристики на Germanium включват прозрачността му към близко инфрачервено електромагнитно излъчване (при дължини на вълните между 1600-1800 нанометра), неговия висок коефициент на пречупване и нисък оптичен дисперсия.
Металоидът също е присъщо полупроводник.
история
Демитри Менделеев, бащата на периодичната таблица, предсказа съществуването на елемент номер 32, който той нарече ekasilicon, през 1869г. Седемнадесет години по-късно химикът Клеменс А. Уинклер откри и изолира елемента от рядката минерална аргиродита (Ag8GeS6). Той нарече стихията на родината си Германия.
През 1920-те години изследванията на електрическите свойства на германия доведоха до развитието на висококристален монокристален германий. Монокристалният германий е използван като изправителни диоди в микровълнови радарни приемници по време на Втората световна война.
Първото търговско приложение за германий идва след войната, след изобретяването на транзистори от Джон Бардин, Уолтър Братайн и Уилям Шокли в Bell Labs през декември 1947 година. В следващите години транзисторите, съдържащи германий, попаднаха в апаратите за телефонна комутация, военните компютри, слуховите апарати и преносимите радиостанции.
Нещата започват да се променят след 1954 г., когато Гордън Тил от Texas Instruments изобретява силиций транзистор. Германиевите транзистори са имали тенденция да се провалят при високи температури, проблем, който може да бъде решен със силиций. До Teal никой не е могъл да произвежда силиций с достатъчно висока чистота, за да замени германия, но след 1954 г. силиций започва да заменя германия в електронни транзистори, а до средата на 60-те години германиевите транзистори на практика са не съществува.
Трябваше да дойдат нови заявления. Успехът на германий в ранните транзистори доведе до повече изследвания и реализиране на инфрачервените свойства на германий. В крайна сметка това доведе до използването на металоида като ключов компонент от инфрачервени (инфрачервени) лещи и прозорци.
Първите мисии за космически проучвания Voyager, стартирани през 70-те години, разчитаха на мощност, произведена от фотоволтаични клетки силиций-германий (SiGe) (PVC). ПВЦ на базата на германий все още са критични за сателитните операции.
Развитието и разширяването или оптичните мрежи през 90-те години доведоха до повишено търсене на германий, който се използва за формиране на стъкленото ядро от оптични кабели.
До 2000 г. високоефективните PVC и светодиоди (LED), зависими от германиевите субстрати, станаха големи консуматори на елемента.
производство
Подобно на повечето второстепенни метали, германийът се произвежда като страничен продукт от рафиниране на основни метали и не се добива като основен материал.
Германий най-често се произвежда от сфалерит цинк руди, но също така е известно, че се добива от въглища от летяща пепел (произведена от въглищни централи) и някои мед руди.
Независимо от източника на материал, всички германиеви концентрати първо се пречистват с помощта на процес на хлориране и дестилация, при който се получава тетрахлорид на германий (GeCl4). След това германиевият тетрахлорид се хидролизира и суши, като се получава германиев диоксид (GeO2). След това оксидът се редуцира с водород до получаване на метален прах от германий.
Германиевият прах се излива в барове при температури над 1720.85 ° F (938.25 ° C).
Рафиниране по зони (процес на топене и охлаждане) баровете изолират и отстраняват примесите и в крайна сметка произвеждат германиеви барове с висока чистота. Търговският метал от германий често е повече от 99,999%.
Рафинираният в зоната германий може допълнително да се отглежда в кристали, които се нарязват на тънки парчета за използване в полупроводници и оптични лещи.
Световното производство на германий беше оценено от Геоложкото проучване на САЩ (USGS) на приблизително 120 метрични тона през 2011 г. (съдържа германий).
Приблизително 30% от годишното производство на германий в света се рециклира от скрап материали, като пенсионирани инфрачервени лещи. Приблизително 60% от германий, използван в IR системи, сега се рециклира.
Най-големите държави, произвеждащи германий, се ръководят от Китай, където през 2011 г. са произведени две трети от целия германий. Други големи производители включват Канада, Русия, САЩ и Белгия.
Основните производители на германий включват Teck Resources Ltd., Yunnan Lincang Xinyuan Germanium Industrial Co., Umicore и Nanjing Germanium Co.
Приложения
Според USGS, приложенията за германий могат да бъдат класифицирани в 5 групи (последвани от приблизителен процент от общото потребление):
- ИК оптика - 30%
- Оптични влакна - 20%
- Полиетилен терефталат (PET) - 20%
- Електронни и слънчеви - 15%
- Фосфор, металургия и органични - 5%
Германиевите кристали се отглеждат и формират в лещи и прозорец за инфрачервени или термични оптични системи. Около половината от всички такива системи, които са силно зависими от военното търсене, включват германий.
Системите включват малки ръчни и оръжейни устройства, както и въздушни, сухопътни и морски системи, монтирани на превозни средства. Полагат се усилия за разрастване на търговския пазар за базирани на германий IR системи, като например за автомобили от висок клас, но невоенните приложения все още представляват едва около 12% от търсенето.
Германиевият тетрахлорид се използва като добавка - или добавка - за увеличаване на показателя на пречупване в сърцевината на силициевото стъкло на оптичните линии. Чрез включване на германий се предотвратява загубата на сигнал може да бъде предотвратена.
Формите на германий се използват и в субстрати за производство на PVC, както за космическа основа (спътници), така и за наземно производство на енергия.
Германиевите субстрати образуват един слой в многослойни системи, които също използват галий, индиев фосфид и галий арсенид. Такива системи, известни като концентрирани фотоволтаици (CPV) поради използването на концентриращи лещи, които увеличават слънчевата светлина, преди да е превърнати в енергия, имат високоефективни нива, но са по-скъпи за производство от кристален силиций или медно-индий-галий-дисленид (CIGS) клетки.
Приблизително 17 метрични тона германиев диоксид се използват като катализатор на полимеризация при производството на PET пластмаси всяка година. PET пластмасата се използва предимно в контейнери за храни, напитки и течности.
Въпреки провала си като транзистор през 50-те години на миналия век, германий се използва в тандем със силиций в транзисторни компоненти за някои клетъчни телефони и безжични устройства. SiGe транзисторите имат по-голяма скорост на превключване и използват по-малко мощност от технологията на базата на силиций. Едно приложение за крайна употреба за SiGe чипове е в автомобилните системи за безопасност.
Други приложения за германий в електрониката включват чипове на фазовата памет, които заменят флаш паметта в много електронни устройства поради техните енергоспестяващи предимства, както и в субстрати, използвани при производството на светодиоди.
Източници:
USGS. Годишник за минералите за 2010 г.: Германий. Дейвид Е. Guberman.
http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/germanium/
Асоциация за търговия с малки метали (MMTA). германиум
http://www.mmta.co.uk/metals/Ge/
CK722 музей. Джак Уорд.
http://www.ck722museum.com/