Germānija ir reti sastopams sudraba krāsas pusvadītāju metāls, ko izmanto infrasarkano staru tehnoloģijā, optisko šķiedru kabeļos un saules baterijās.
Īpašības
- Atomu simbols: Ge
- Atomu skaitlis: 32
- Elementa kategorija: metalloīds
- Blīvums: 5.323 g / cm3
- Kušanas temperatūra: 1720,85 ° F (938,25 ° C)
- Viršanas punkts: 2833 ° C (5131 ° F)
- Mosa cietība: 6,0
Raksturlielumi
Tehniski germāniju klasificē kā: metalloīds vai pusmetāls. Viens no elementu grupas, kam piemīt gan metālu, gan nemetālu īpašības.
Metāliskā formā germānija ir sudraba krāsā, cieta un trausla.
Germanium unikālajās īpašībās ietilpst tā caurspīdīgums gandrīz infrasarkanajam elektromagnētiskajam starojumam (pie viļņu garuma no 1600 līdz 1800 nanometriem), tā augstais refrakcijas koeficients un zemais optiskais izkliede.
Arī metalloīds ir pusvadītspējīgs.
Vēsture
Periodiskās tabulas tēvs Demitri Mendeļejevs prognozēja 32. nosaukuma nosaukuma esamību ekasilicon, 1869. gadā. Pēc septiņpadsmit gadiem ķīmiķis Klemens A. Vinklers atklāja un izolēja elementu no retā minerāla argyrodīta (Ag8GeS6). Elementu viņš nosauca pēc savas dzimtenes - Vācijas.
1920. gados germānija elektrisko īpašību izpēte ļāva attīstīt augstas tīrības, viena kristāla germāniju. Viena kristāla germānija tika izmantots kā taisngriešanas diodes mikroviļņu radaru uztvērējos Otrā pasaules kara laikā.
Pirmais germānijas komerciālais pielietojums nāca pēc kara pēc tam, kad Džons Bardēns, Valters Brattains un Viljams Šoklijs tranzistorus izgudroja Bell Labs 1947. gada decembrī. Turpmākajos gados tranzistori, kas satur germāniju, atrada ceļu uz telefona komutācijas iekārtām, militāriem datoriem, dzirdes aparātiem un pārnēsājamiem radioaparātiem.
Lietas sāka mainīties pēc 1954. gada, kad Gordons Teāls no Texas Instruments izgudroja a silīcijs tranzistors. Ģerānijas tranzistoriem bija tendence sabojāties augstā temperatūrā - problēmu, kuru varēja atrisināt ar silīciju. Līdz Teal neviens nebija spējis saražot pietiekami augstas tīrības pakāpes silīciju, lai aizstātu germāniju, bet pēc 1954. gada silīcija sāka aizstāt germāniju elektroniskajos tranzistoros, un līdz 1960. gadu vidum germānijas tranzistori faktiski bija neeksistējošs.
Bija jāgaida jauni pieteikumi. Germānijas panākumi agrīnajos tranzistoros noveda pie lielākiem pētījumiem un germānijas infrasarkano staru īpašību realizācijas. Galu galā tā rezultātā metalloīds tika izmantots kā galvenā infrasarkano (IR) objektīvu un logu sastāvdaļa.
Pirmās Voyager kosmosa izpētes misijas, kas tika uzsāktas pagājušā gadsimta 70. gados, paļāvās uz silīcija-germānija (SiGe) fotoelektrisko elementu (PVC) saražoto enerģiju. Uz ģerāniju balstīti PVC joprojām ir kritiski svarīgi satelīta darbībai.
Deviņdesmitajos gados attīstītā un paplašinātā optisko šķiedru tīkli palielināja pieprasījumu pēc germānija, ko izmanto, lai veidotu stikla optisko šķiedru kabeļus.
Līdz 2000. gadam augstas efektivitātes PVC un gaismas diodes (LED), kas atkarīgas no germānija substrātiem, bija kļuvušas par lieliem elementa patērētājiem.
Ražošana
Tāpat kā vairums mazāknozīmīgu metālu, germānija tiek ražots kā parasto metālu rafinēšanas blakusprodukts un netiek iegūts kā primārais materiāls.
Ģermāniju visbiežāk ražo no sphalerite cinks rūdas, bet zināms, ka to iegūst arī no pelnu oglēm (ražotas no ogļu spēkstacijām) un dažām vara rūdas.
Neatkarīgi no materiāla avota, visi germānija koncentrāti vispirms tiek attīrīti, izmantojot hlorēšanas un destilācijas procesu, iegūstot germija tetrahlorīdu (GeCl4). Tad germija tetrahlorīds tiek hidrolizēts un žāvēts, iegūstot germija dioksīdu (GeO2). Pēc tam oksīdu reducē ar ūdeņradi, veidojot germānija metāla pulveri.
Germija pulveris tiek ieliets stieņos temperatūrā, kas pārsniedz 178,85 ° F (938,25 ° C).
Zonas attīrīšana (kausēšanas un atdzesēšanas process) stieņi izolē un noņem piemaisījumus un galu galā rada augstas tīrības germānija stieņus. Tirdzniecības germānija metāls bieži ir vairāk nekā 99,999% tīrs.
Zonā rafinēto germāniju var tālāk sadalīt kristālos, kas sagriezti plānos gabaliņos izmantošanai pusvadītājos un optiskajās lēcās.
ASV Ģeoloģijas dienests (USGS) lēsa, ka germānijas ražošana pasaulē kopumā bija aptuveni 120 tonnas 2011. gadā (satur germāniju).
Tiek lēsts, ka 30% no pasaulē ikdienā saražotā germānija daudzuma tiek pārstrādāti no lūžņu materiāliem, piemēram, izņemtām IR objektīviem. Tiek lēsts, ka 60% no infūzijas sistēmās izmantotā germānija tiek pārstrādāti.
Lielākās germāniju ražojošās valstis vada Ķīna, kur divas trešdaļas no visa germānija tika saražotas 2011. gadā. Citi lielākie ražotāji ir Kanāda, Krievija, ASV un Beļģija.
Starp lielākajiem germānija ražotājiem ietilpst SIA Teck Resources, Yunnan Lincang Xinyuan Germanium Industrial Co, Umicore un Nanjing Germanium Co.
Lietojumprogrammas
Saskaņā ar USGS, germānija lietojumus var iedalīt 5 grupās (kam seko aptuvena procentuālā daļa no kopējā patēriņa):
- IR optika - 30%
- Optiskā šķiedra - 20%
- Polietilēntereftalāts (PET) - 20%
- Elektronika un saules enerģija - 15%
- Fosfori, metalurģija un organiskie produkti - 5%
Germānijas kristālus audzē un veido lēcās un logos infrasarkano staru vai termiskās attēlveidošanas optiskajām sistēmām. Apmēram puse no visām šādām sistēmām, kuras ir ļoti atkarīgas no militārā pieprasījuma, ietver germāniju.
Sistēmās ietilpst mazas rokas un uz ieročiem uzstādītas ierīces, kā arī gaisa, sauszemes un jūras transporta līdzekļiem paredzētas ierīces. Ir pieliktas pūles, lai palielinātu komerciālo tirgu germānija bāzes IR sistēmām, piemēram, augstākās klases automašīnām, taču militārie lietojumi joprojām veido tikai aptuveni 12% no pieprasījuma.
Germija tetrahlorīds tiek izmantots kā palīgviela vai piedeva, lai palielinātu refrakcijas koeficientu optisko šķiedru līniju silīcija stikla kodolā. Iekļaujot germāniju, var novērst signāla zudumus.
Germānija formas izmanto arī substrātos, lai ražotu PVC gan kosmosa (satelīti), gan sauszemes enerģijas ražošanai.
Ģerānijas substrāti veido vienu slāni daudzslāņu sistēmās, kurās izmanto arī galliju, indija fosfīdu un gallijs arsenīds. Šādas sistēmas, kas pazīstamas kā koncentrēta fotoelementi (CPV), jo tiek izmantotas koncentrējošas lēcas, kas palielina saules gaismu, pirms tā ir pārveidoti enerģijā, tiem ir augsts efektivitātes līmenis, taču to izgatavošana ir dārgāka nekā kristālisks silīcijs vai vara-indija-gallija-diselenīds (CIGS) šūnas.
Katru gadu PET plastmasas ražošanā par polimerizācijas katalizatoru izmanto apmēram 17 tonnas germija dioksīda. PET plastmasu galvenokārt izmanto pārtikas, dzērienu un šķidrumu traukos.
Neskatoties uz neveiksmi kā tranzistoru pagājušā gadsimta 50. gados, germānija tagad tiek izmantots kopā ar silīciju dažu mobilo tālruņu un bezvadu ierīču tranzistoru komponentos. SiGe tranzistoriem ir lielāks pārslēgšanās ātrums un tie patērē mazāk enerģijas nekā uz silīcija bāzes tehnoloģija. Viena SiGe mikroshēmu galapatēriņa lietojumprogramma ir automobiļu drošības sistēmās.
Citos germānija lietojumos elektronikā ietilpst fāzes atmiņas mikroshēmas, kuras daudzos aizstāj zibatmiņu elektroniskās ierīces to enerģijas taupīšanas priekšrocību dēļ, kā arī substrātos, ko izmanto gaismas diožu ražošanā.
Avoti:
USGS. 2010. gada minerālu gadagrāmata: germānija. Deivids E Gubermans.
http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/germanium/
Nelielo metālu tirdzniecības asociācija (MMTA). Ģermānija
http://www.mmta.co.uk/metals/Ge/
CK722 muzejs. Džeks Vards.
http://www.ck722museum.com/