Hankige teavet omaduste, ajaloo, tootmise ja rakenduste kohta
Germaanium on haruldane, hõbedane pooljuhtmetall, mida kasutatakse infrapunakiirguse, fiiberoptiliste kaablite ja päikesepatareide jaoks.
Omadused
- Atomic Symbol: Ge
- Atomic Number: 32
- Element Kategooria: Metalloid
- Tihedus: 5,333 g / cm3
- Sulamistemperatuur: 1720,85 ° F (938,25 ° C)
- Keemispunkt: 5131 ° F (2833 ° C)
- Mohi kõvadus: 6.0
Omadused
Tehniliselt on germaanium klassifitseeritud metalloidiks või poolmetalliks . Üks elementide rühmas, millel on nii metallide kui ka mittemetallide omadused.
Saksamaal on metalli kujul hõbedane, kõva ja rabe.
Geraumiumi ainulaadsed omadused hõlmavad selle läbipaistvust infrapunase elektromagnetilise kiirguse läheduses (lainepikkustel 1600-1800 nanomeetrit), selle kõrge murdumisnäitaja ja selle madala optilise dispersiooni.
Metalloid on ka sisemiselt pooljuhtiv.
Ajalugu
Perioodilise laua isa Demitri Mendelejeen ennustas elemendi numbri 32 olemasolu, mida ta nimetas ekailikooniks , 1869. aastal. Seitseteist aastat hiljem avastas keemomisar Clemens A. Winkler haruldast mineraalarügrodiidist (Ag8GeS6) element ja eraldas selle. Ta nimetas seda elementi pärast oma kodumaad, Saksamaad.
1920ndate aastate jooksul teostati germaaniumi elektriliste omaduste uurimine, mille tulemusena tekkis kõrge puhtusastmega ühekristalne germaanium. II maailmasõja ajal mikrolaine radari vastuvõtjatena kasutati kristalli germaaniumi parandusdioodidena.
Germaniumi esimene kommertsrakendus sai pärast sõda, pärast John Bardeni, Walteri Brattiini ja William Shockley leiutisi Bell Labsis 1947. aasta detsembris.
Järgnevatel aastatel leidis germaniumi sisaldavad transistorid telefoni kommutatsiooniseadmeid, sõjalisi arvuteid, kuuldeaparaate ja kaasaskantavaid raadioid.
Asjad hakkasid muutuma pärast 1954. aastat, aga kui Texas Instrumentsi Gordon Teal leiutas ränistransistori. Germaani transistoridel oli tendents ebaõnnestuda kõrgel temperatuuril, probleem, mida saab räni abil lahendada.
Kuni Tealini pole keegi suutnud suvalist germaniumi asendada suhteliselt suure puhtusega räni, kuid pärast 1954. aastat hakkas germanium asendama elektroonilisi transistore ja 1960. aastate keskpaigaks olid germaniumi transistorid peaaegu olematud.
Uued taotlused tulid. Germaaniumi edu varajastes transistorides tõi kaasa rohkem teadusuuringuid ja Germaaniumi infrapuna omaduste realiseerimist. Lõppkokkuvõttes viis see metalloidide kasutamisele infrapuna (IR) objektiivide ja akende põhikomponendina.
1970. aastatel käivitatud esimesed Voyageri kosmosetööstuse uuringud tuginesid ränigeermiumist (SiGe) fotogalvaanilistele rakkudele (PVC) toodetud võimsusele. Saksa-põhised PVC-id on satelliitsideoperatsioonide jaoks endiselt kriitilised.
1990. aastate arendus- ja laiendus- või fiiberoptiliste võrkudega suurenes nõudlus germaaniumile, mida kasutatakse fiiberoptiliste kaablite klaasist südamiku valmistamiseks.
2000. aastaks on elemendi suured tarbijad saanud suure efektiivsusega PVC-d ja valgusdioodid (LED-id), mis sõltuvad germaaniumpindadest.
Tootmine
Nagu enamus väikseid metalle, toodetakse germaaniumi kui kõrvalprodukti, mis on valmistatud mitteväärismetallide rafineerimisest ja mida ei kaevandata esmase materjalina.
Germaani on kõige sagedamini toodetud sphalerite tsinkmaakidest, kuid on teada, et see on kaevandatud kivisöelektrijaamades toodetud lendtuha kivisüsi ja mõnedest vase maagist.
Olenemata materjali allikast puhastatakse kõigepealt kõik germaniumikontsentraadid kromatatsiooni ja destilleerimise protsessiga, mis toodab germaniumtetrakloriidi (GeCl4). Seejärel hüdrolüüsitakse ja kuivatatakse geermaumtetrakloriidi, toodetakse germanium dioksiidi (GeO2). Seejärel redutseeritakse oksiid vesinikuga, moodustades germaniummetallipulbri.
Germaariumipulber valatakse baarides temperatuuril üle 1720,85 ° F (938,25 ° C).
Tsoonide rafineerimine (sulatamise ja jahutamise protsess) barid eraldavad ja eemaldavad lisandid ja lõpuks toodavad kõrge puhtusega germanium baari. Kommertsgermaniumi metall on tihti üle 99.999% puhas.
Tsooniga rafineeritud germaanium võib lisaks kasvatada kristallidesse, mida lõigatakse õhukesteks tükkideks pooljuhitavate ja optiliste läätsede jaoks.
Germeemi globaalne toodang hinnati USA geoloogilise uuringu (USGS) hinnanguliselt 120 tonni 2011. aastal (sisaldas germaniumi).
Hinnanguliselt 30% maailma aastastest germaaniumitoodangust taaskasutatakse vanaraua materjalidest, nagu näiteks pensionile jäänud IR-objektiivid. Hinnanguliselt 60% IR-süsteemides kasutatavast germaanist on nüüd ringlussevõetud.
Suurima germaaniumit tootvaid riike juhib Hiina, kus kaks kolmandikku kogu germaaniumist toodetakse 2011. aastal. Teised suuremad tootjad on Kanada, Venemaa, USA ja Belgia.
Peamised germaaniumitootjad hõlmavad Teck Resources Ltd. , Yunnan Lincang Xinyuan Germanium Industrial Co., Umicore ja Nanjing Germanium Co.
Taotlused
USGSi kohaselt võib germaniumrakendusi liigitada 5 rühma (millele järgneb ligikaudne protsent kogutarbimisest):
- IR optika - 30%
- Fiber Optics - 20%
- Polüetüleentereftalaat (PET) - 20%
- Elektrooniline ja päikeseenergia - 15%
- Fosforid, metallurgia ja orgaanilised - 5%
Germaaniumi kristalle kasvatatakse ja vormitakse läätsede ja aknaklaasi jaoks infrapunast või termomassi optilistesse süsteemidesse. Umbes pooled sellistest süsteemidest, mis sõltuvad suuresti sõjaväe nõudlusest, kuuluvad germanium.
Süsteemid hõlmavad väikseid käeshoitavaid ja relvadega varustatud seadmeid, samuti õhu-, maa- ja merepõhiseid sõidukisüsteeme. On tehtud jõupingutusi germaaniumipõhiste IR-süsteemide kommertsturu kasvatamiseks, näiteks kõrgekvaliteediliste autode puhul, kuid mitte-sõjalised rakendused moodustavad endiselt vaid umbes 12% nõudlusest.
Fermenteerivaks osaks - või lisandiks - kasutatakse geeliumtetrakloriidi, et tõsta fibrikatsioonikordade ränidioksiidi klaasist südamikku. Germaaniumi lisamise abil on võimalik ära hoida signaali kadu.
Germaaniumi vorme kasutatakse ka substraadides, et toota PVC-d nii kosmosepõhiste (satelliitide) kui ka maapealse elektritootmise jaoks.
Germaaniumi substraadid moodustavad mitmekihiliste süsteemide ühe kihi, mis sisaldavad ka galliumi, indiumi fosfiidi ja galliumarseeniidi. Sellised süsteemid, mida nimetatakse kontsentreeritud fotogalvaanilisteks aineteks (CPV-de), kuna nad kasutavad kontsentraatläätsi, mis suurendavad päikeseenergiat enne energia muundamist, on kõrge efektiivsusega, kuid kulutamad valmistamiseks kui kristalliline räni või vask-indium-gallium- diseleniidi (CIGS) rakud.
Polümerisatsiooni katalüsaatorina kasutatakse PET-plasti tootmisel aastas ligikaudu 17 tonni germaniumdioksiidi. PET-plast kasutatakse peamiselt toidu-, joogi- ja vedelate anumate puhul.
Vaatamata läbikukkumisele transistorina 1950. aastatel, kasutatakse geeniumit mõnedes mobiiltelefonides ja traadita seadmetes paralleelselt räni transistori komponentidega. SiGe transistoridel on suurem lülituskiirus ja vähem elektrit kui ränist põhinev tehnoloogia. SiGe-kiipide üks lõppkasutusprogramm on autotööstuse ohutussüsteemides.
Elektroonikas asuva germaniumi muud kasutusalad hõlmavad ka faasimälu kiipe, mis asendavad paljudes elektroonilistes seadmetes välkmälu nende energiasäästu kasutegurite ning LED-ide tootmisel kasutatavate substraatide suhtes.
Allikad:
USGS 2010 Mineraalide aastaraamat: Germanium. David E. Guberman.
http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/germanium/
Minor Metals Trade Association (MMTA). Germaanium
http://www.mmta.co.uk/metals/Ge/
Muuseum CK722. Jack Ward.
http://www.ck722museum.com/