Leer over Germanium

Germanium is een zeldzaam, zilverkleurig halfgeleidermetaal dat wordt gebruikt in infraroodtechnologie, glasvezelkabels en zonnecellen.

Eigenschappen

• Atoomgetal: Ge
• Atoomgetal: 32
• Element Categorie: Metalloid
• Dichtheid: 5. 323 g / cm3
• Smeltpunt: 1720. 85 ° F (938. 25 ° C)
• Kookpunt: 5131 ° F (2833 ° C)
• Mohs hardheid: 6. 0

Kenmerken

Technisch gezien is germanium ingedeeld als een metalloïde of semi-metaal. Eén van een groep elementen die eigenschappen van zowel metalen als niet-metalen bezitten.

In zijn metallische vorm is germanium zilver van kleur, hard en bros.

De unieke kenmerken van Germanium omvatten zijn doorzichtigheid in de nabijheid van infrarood elektromagnetische straling (bij golflengtes tussen 1600-1800 nanometer), de hoge brekingsindex en de lage optische dispersie.

De metalloid is ook intrinsiek halfgeleidend.

Geschiedenis

Demitri Mendeleev, de vader van de periodieke tabel, voorspelde het bestaan ​​van element nummer 32, dat hij in 1869 ekasilicon noemde. Seventien jaar later ontdekte en ontdekte chemicus Clemens A. Winkler het element uit het zeldzame minerale argyrodiet (Ag8GeS6). Hij noemde het element na zijn geboorteland, Duitsland.

In de jaren twintig leidde onderzoek naar de elektrische eigenschappen van germanium tot de ontwikkeling van hoge zuiverheid, enkelkristal germanium. Single-crystal germanium werd gebruikt als rectificatie van dioden in microgolfradar ontvangers tijdens de Tweede Wereldoorlog.

De eerste commerciële aanvraag voor germanium kwam na de oorlog na de uitvinding van transistoren door John Bardeen, Walter Brattain en William Shockley in Bell Labs in december 1947.

In de jaren daarna , germanium-bevattende transistors hebben hun weg gevonden in telefoonschakelapparatuur, militaire computers, gehoorapparaten en draagbare radio's.

Na 1954 veranderden echter, toen Gordon Teal van Texas Instruments een siliconen transistor uitgevonden. Germanium transistors hadden de neiging om te falen bij hoge temperaturen, een probleem dat met silicium opgelost kon worden.

Tot aan Teal kon niemand silicium met een hoge genoeg zuiverheid produceren om germanium te vervangen, maar na 1954 begon silicium in elektronische transistoren te vervangen door germanium transistors.

Er zouden nieuwe applicaties komen. Het succes van germanium in de vroege transistoren leidde tot meer onderzoek en de realisatie van de infrarood eigenschappen van germanium. Uiteindelijk heeft dit geleid tot het gebruik van de metalloid als een belangrijk onderdeel van infrarood (IR) lenzen en ramen.

De eerste Voyager-ruimteverkenningsmissies die in de jaren zeventig werden gelanceerd, waren gebaseerd op kracht die is vervaardigd door silicium-germanium (SiGe) fotovoltaïsche cellen (PVC's).Germanium-gebaseerde PVC's zijn nog steeds kritisch voor satellietoperaties.

De ontwikkelings- en expansie- of glasvezelnetwerken in de jaren negentig hebben geleid tot een verhoogde vraag naar germanium, die gebruikt wordt om de glaskern van glasvezelkabels te vormen.

In 2000 werden hoge efficiency PVC's en lichtemiddende dioden (LED's) die afhankelijk waren van germanium substraten grote verbruikers van het element geworden.

Productie

Zoals bij de meeste kleine metalen wordt germanium geproduceerd als bijproduct van metalen raffinage en wordt niet als een primair materiaal gemalen.

Germanium wordt meestal geproduceerd uit sphalerite zinkertsen, maar is ook bekend om te worden geëxtraheerd uit vliegasaskool (geproduceerd uit kolencentrales) en enkele koperenertsen.

Ongeacht de bron van materiaal worden alle germaniumconcentraten eerst gezuiverd met behulp van een chlorerings- en distillatieproces dat germaniumtetrachloride (GeCl4) produceert. Germaniumtetrachloride wordt vervolgens gehydrolyseerd en gedroogd, waardoor germaniumdioxide (GeO2) wordt verkregen. Het oxide wordt dan met waterstof gereduceerd om germaniummetaalpoeder te vormen.

Germanium poeder wordt gegoten in staven bij temperaturen boven 1720. 85 ° F (938. 25 ° C).

Zone-raffinage (een smelt- en koelingproces) de staven isoleren en verwijdert onzuiverheden en produceert uiteindelijk germaniumstaafjes met een hoge zuiverheid. Commercieel germaniummetaal is vaak meer dan 99. 999% zuiver.

Zonverfijnde germanium kan verder worden gegroeid tot kristallen, die in dunne stukken gesneden zijn voor gebruik in halfgeleiders en optische lenzen.

De wereldwijde productie van germanium werd geschat door het Amerikaanse Geologische Onderzoek (USGS) in 2011, ongeveer 120 ton in tonijn (Germanium).

Naar schatting 30% van de jaarlijkse germaniumproductie in de wereld wordt gerecycleerd van afvalstoffen, zoals gepensioneerde IR-objectieven. Naar schatting 60% germanium gebruikt in IR systemen is nu gerecycled.

De grootste germanium producerende landen worden geleid door China, waar tweederde van alle germanium in 2011 is geproduceerd. Andere grote producenten zijn Canada, Rusland, de VS en België.

De belangrijkste germaniumproducenten zijn Teck Resources Ltd., Yunnan Lincang Xinyuan Germanium Industrial Co., Umicore en Nanjing Germanium Co.

Toepassingen

Volgens de USGS kunnen germaniumtoepassingen ingedeeld worden in 5 groepen (gevolgd door een geschat percentage van het totale verbruik):

1. IR optica - 30%
2. Fiber Optics - 20%
3. Polyethyleentereftalaat (PET) - 20%
4. Elektronische en zonne- 15%
5. Fosforen, metallurgie en organisch - 5%

Germanium kristallen worden gekweekt en gevormd in lenzen en raam voor IR of thermische beeldende optische systemen. Ongeveer de helft van alle dergelijke systemen, die sterk afhankelijk zijn van de militaire vraag, omvatten germanium.

Systemen omvatten kleine hand-en wapen-gemonteerde apparaten, evenals lucht-, land- en zee-gebaseerde voertuig-gemonteerde systemen. Er is geprobeerd de commerciële markt voor IR-systemen in Duitsland te versterken, zoals in high-end auto's, maar niet-militaire toepassingen vormen nog steeds slechts ongeveer 12% van de vraag.

Germanium tetrachloride wordt gebruikt als dopmiddel - of additief - om de brekingsindex te verhogen in de glasvezelkern van vezeloptische lijnen. Door het integreren van germanium kan signaalverlies voorkomen worden voorkomen.

Vormen van germanium worden ook gebruikt in substraten voor het produceren van PVC's voor zowel ruimtegebaseerde (satellieten) als terrestrische energieopwekking.

Germanium substraten vormen één laag in multilayer systemen die ook gallium, indiumfosfide en galliumarsenide gebruiken. Dergelijke systemen, bekend als geconcentreerde fotovoltaïsche (CPV's) door het gebruik van lenzen die het zonne-licht concentreren voordat het omgezet wordt in energie, hebben een hoog rendement, maar zijn kostbaarder om te vervaardigen dan kristallijn silicium of koper-indium-gallium- diselenide (CIGS) cellen.

Ongeveer 17 ton germaniumdioxide wordt per jaar als polymerisatiekatalysator gebruikt bij de productie van PET-kunststoffen. PET-kunststof wordt voornamelijk gebruikt in voedingsmiddelen, dranken en vloeibare containers.

Ondanks het mislukken als transistor in de jaren 1950 wordt germanium nu in combinatie met silicium in transistorcomponenten gebruikt voor sommige mobiele telefoons en draadloze apparaten. SiGe transistors hebben hogere schakelnelheden en gebruiken minder vermogen dan silicium gebaseerde technologie. Eén eindgebruiksapplicatie voor SiGe-chips is in automotive veiligheidssystemen.

Andere toepassingen voor germanium in elektronica omvatten in fase geheugen chips, die het flashgeheugen in veel elektronische apparaten vervangen door hun energiebesparende voordelen, evenals in substraten die worden gebruikt voor de productie van LED's.

_Bronnen:

_{USGS. 2010 Mineralen Jaarboek: Germanium. David E. Guberman.}
// mineralen. USGS. gov / mineralen / pubs / commodity / germanium /

_{Minor Metals Trade Association (MMTA). Germanium}
// www. MMTA. co. Verenigd Koninkrijk / Metalen / Ge /

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