Germanium Properties, History and Applications

Germanium är en sällsynt, silverfärgad halvledarmetall som används inom infraröd teknik, fiberoptiska kablar och solceller.

• Atomic Symbol: Ge
• Atomnummer: 32
• Elementkategori: Metalloid
• Densitet: 5,323 g / cm3
• Smältpunkt: 920,25 ° C (1720,85 ° F)
• Kokpunkt: 2833 ° C (5131 ° F)
• Mohs hårdhet: 6,0

Tekniskt klassificeras germanium som en metalloid eller halvmetall. En av en grupp av element som har egenskaper hos både metaller och icke-metaller.

I sin metalliska form är germanium silverfärgat, hårt och sprött.

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.

Metalloiden är också i sig halvledande.

Demitri Mendeleev, pappa till det periodiska systemet, förutspådde förekomsten av element nummer 32, som han namngav ekasilicon1869. Sjutton år senare kemist Clemens A. Winkler upptäckte och isolerade elementet från den sällsynta mineralen argyrodite (Ag8GeS6). Han uppkallade elementet efter sitt hemland, Tyskland.

Under 1920-talet resulterade forskning i de elektriska egenskaperna hos germanium i utvecklingen av enkelkristall-germanium med hög renhet. Enkristall-germanium användes som likriktande dioder i mikrovågsradarmottagare under andra världskriget.

Den första kommersiella ansökan om germanium kom efter kriget efter uppfinningen av transistorer av John Bardeen, Walter Brattain och William Shockley på Bell Labs i december 1947. Under åren som följde hittade germaniuminnehållande transistorer vägen till telefonväxlingsutrustning, militära datorer, hörapparater och bärbara radioapparater.

Saker började dock förändras efter 1954, när Gordon Teal från Texas Instruments uppfann en kisel transistor. Germanium-transistorer hade en tendens att misslyckas vid höga temperaturer, ett problem som kunde lösas med kisel. Fram till Teal hade ingen kunnat producera kisel med en tillräckligt hög renhet för att ersätta germanium, men efter 1954 kisel började ersätta germanium i elektroniska transistorer, och i mitten av 1960-talet var germanium-transistorer praktiskt taget obefintlig.

Nya ansökningar skulle komma. Framgången för germanium i tidiga transistorer ledde till mer forskning och förverkligandet av germaniums infraröda egenskaper. I slutändan resulterade detta i att metalloiden användes som en nyckelkomponent i infraröda linser och fönster.

De första Voyager-rymdutforskningsuppdragen som lanserades på 1970-talet förlitade sig på kraft producerad av kisel-germanium (SiGe) fotovoltaiska celler (PVC). Germanium-baserade PVC är fortfarande avgörande för satellitdrift.

Utvecklingen och expansionen eller fiberoptiska nätverk på 1990-talet ledde till en ökad efterfrågan på germanium, som används för att bilda glaskärnan i fiberoptiska kablar.

År 2000 hade högeffektiva PVC och ljusemitterande dioder (LED) beroende av germaniumsubstrat blivit stora konsumenter av elementet.

Som de flesta mindre metaller produceras germanium som en biprodukt från basmetallraffinering och bryts inte som ett primärt material.

Germanium produceras oftast av sfalerit zink malm men är också känt för att utvinnas från flygaska kol (producerat från kolkraftverk) och några koppar malmer.

Oavsett materialkälla renas alla germaniumkoncentrat först med en klorerings- och destillationsprocess som producerar germaniumtetraklorid (GeCl4). Germanium tetraklorid hydrolyseras sedan och torkas, vilket ger germaniumdioxid (GeO2). Oxiden reduceras sedan med väte för att bilda germaniummetallpulver.

Germaniumpulver gjuts i stänger vid temperaturer över 1720,85 ° F (938,25 ° C).

Zonraffinering (en process med smältning och kylning) isolerar stängerna och tar bort föroreningar och till slut producerar germanium-barer med hög renhet. Kommersiell germaniummetall är ofta mer än 99,999% ren.

Zonraffinerad germanium kan vidare odlas till 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 ungefär 120 ton 2011 (innehöll germanium).

Uppskattningsvis 30% av världens årliga Germanium-produktion återvinns från skrotmaterial, till exempel pensionerade IR-linser. Uppskattningsvis 60% av germanium som används i IR-system återvinns nu.

De största germaniumproducerande länderna leds av Kina, där två tredjedelar av allt germanium producerades 2011. Andra stora producenter inkluderar Kanada, Ryssland, USA och Belgien.

Största tysklandsproducenter inkluderar Teck Resources Ltd., Yunnan Lincang Xinyuan Germanium Industrial Co., Umicore och Nanjing Germanium Co.

Enligt USGS kan germanium-applikationer klassificeras i 5 grupper (följt av en ungefärlig andel av den totala konsumtionen):

1. IR-optik - 30%
2. Fiberoptik - 20%
3. Polyetylentereftalat (PET) - 20%
4. Elektronisk och solenergi - 15%
5. Fosforer, metallurgi och organiska - 5%

Germaniumkristaller odlas och formas till linser och fönster för optiska system för IR eller termisk avbildning. Cirka hälften av alla sådana system, som är starkt beroende av militär efterfrågan, inkluderar germanium.

Systemen inkluderar små handhållna och vapenmonterade enheter samt luft-, land- och havsbaserade fordonsmonterade system. Ansträngningar har gjorts för att växa den kommersiella marknaden för germaniumbaserade IR-system, till exempel i avancerade 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 kiseldioxidkärnan i fiberoptiska linjer. Genom att införliva germanium kan signalförlust förhindras kan förhindras.

Former av germanium används också i substrat för att producera PVC: er för både rymdbaserad (satelliter) och markbunden kraftproduktion.

Germaniumsubstrat bildar ett skikt i flerskiktssystem som också använder gallium, indiumfosfid och gallium arsenid. Sådana system, kända som koncentrerade fotovoltaik (CPV) på grund av deras användning av koncentrationslinser som förstorar solskenet innan det är konverterad till energi, har hög effektivitetsnivåer men är dyrare att tillverka än kristallint kisel eller koppar-indium-gallium-diselenid (CIGS) celler.

Cirka 17 ton germaniumdioxid används som polymerisationskatalysator vid tillverkning av PET-plast varje år. PET-plast används främst i mat-, dryck- och vätskebehållare.

Trots dess misslyckande som transistor på 1950-talet används nu germanium tillsammans med kisel i transistorkomponenter för vissa mobiltelefoner och trådlösa enheter. SiGe-transistorer har större växlingshastigheter och använder mindre effekt än kiselbaserad teknik. En slutanvändningsprogram för SiGe-chips finns i bilsäkerhetssystem.

Andra användningar för germanium inom elektronik inkluderar minneschips i fas, som ersätter flashminne i många elektroniska apparater på grund av deras energibesparande fördelar, liksom i underlag som används för produktion av lysdioder.

_källor:

_{USGS. Minerals årsbok 2010: Germanium. David E. Guberman.}
http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/germanium/

_{Minor Metals Trade Association (MMTA). Germanium}
http://www.mmta.co.uk/metals/Ge/

_{CK722 Museum. Jack Ward.}
http://www.ck722museum.com/