Germanis yra retas, sidabro spalvos puslaidininkinis metalas, naudojamas infraraudonųjų spindulių technologijoje, optinio pluošto kabeliuose ir saulės elementuose.
Savybės
- Atominis simbolis: Ge
- Atominis skaičius: 32
- Elemento kategorija: metaloidas
- Tankis: 5,332 g / cm3
- Lydymosi temperatūra: 1720,85 ° F (938,25 ° C).
- Virimo temperatūra: 2813 ° C (5131 ° F)
- Moso kietumas: 6,0
Charakteristikos
Techniškai germanis yra klasifikuojamas kaip: metaloidas arba pusiau metalo. Vienas iš elementų grupės, turinčios ir metalų, ir nemetalų savybes.
Savo metalinės formos germanis yra sidabro spalvos, kietas ir trapus.
Unikalios germanio savybės yra jo skaidrumas artimojo infraraudonųjų spindulių elektromagnetinei spinduliuotei (esant bangos ilgiui tarp 1600–1800 nanometrų), jo didelis lūžio rodiklis ir mažas optinis sklaida.
Taip pat metaloidas yra puslaidus.
Istorija
Periodinės lentelės tėvas Demitri Mendelejevas numatė, kad egzistuoja elementas Nr. 32, kurį jis pavadino ekasiliconas, 1869 m. Po septyniolikos metų chemikas Clemensas A. Winkleris atrado ir išskyrė elementą iš reto mineralinio argyrodito (Ag8GeS6). Elementą jis pavadino savo tėvynės, Vokietijos, vardu.
1920-aisiais, atlikus germanio elektrinių savybių tyrimus, buvo sukurtas labai grynas vienkristalinis germanis. Vien krištolo germanis buvo naudojamas kaip rektifikacijos diodai mikrobangų radaro imtuvuose Antrojo pasaulinio karo metu.
Pirmasis komercinis germanio pritaikymas buvo pateiktas po karo po to, kai 1947 m. Gruodžio mėn. „Bell Labs“ išrado Johnas Bardeenas, Walteris Brattainas ir Williamas Shockley tranzistorius. Vėlesniais metais tranzistoriai, kuriuose yra germanio, atsidūrė telefono perjungimo įrangoje, kariniuose kompiuteriuose, klausos aparatuose ir nešiojamuosiuose radijuose.
Viskas pradėjo keistis po 1954 m., Kai Gordonas Tealis iš „Texas Instruments“ išrado a silicio tranzistorius. Germanio tranzistoriai turėjo tendenciją žlugti aukštoje temperatūroje - problemą, kurią buvo galima išspręsti naudojant silicį. Iki Tealo niekas negalėjo gaminti pakankamai aukšto grynumo silicio, kuris pakeistų germanį, tačiau po 1954 m. pradėjo pakeisti germanį elektroniniuose tranzistoriuose, o septintojo dešimtmečio viduryje germanio tranzistoriai faktiškai neegzistuojantis.
Turėjo būti naujų programų. Germanio sėkmė ankstyvuosiuose tranzistoriuose lėmė daugiau tyrimų ir germanio infraraudonųjų spindulių savybių suvokimą. Galiausiai metaloidas buvo naudojamas kaip pagrindinis infraraudonųjų (IR) lęšių ir langų komponentas.
Pirmosios „Voyager“ kosminių tyrinėjimų misijos, pradėtos aštuntajame dešimtmetyje, rėmėsi silicio-germanio (SiGe) fotoelektrinių elementų (PVC) energija. Germanio pagrindu pagaminti PVC vis dar yra labai svarbūs palydovų veikimui.
Dešimtajame dešimtmetyje plėtojant ir plečiant optinių skaidulų tinklus, padidėjo germanio, kuris naudojamas stiklo pluošto optinių kabelių šerdims, paklausa.
Iki 2000 m. Didelio efektyvumo PVC ir šviesos diodai (LED), priklausomi nuo germanio substrato, tapo dideliais elemento vartotojais.
Gamyba
Kaip ir dauguma smulkių metalų, germanis gaminamas kaip šalutinis netauriųjų metalų perdirbimo produktas ir nėra išgaunamas kaip pagrindinė medžiaga.
Germanisis dažniausiai gaminamas iš sfalerito cinko rūdos, tačiau taip pat žinoma, kad ji yra išgaunama iš lakiųjų pelenų anglių (gaminamų iš akmens anglių elektrinių) ir kai kurių varis rūdos.
Nepriklausomai nuo medžiagos šaltinio, visi germanio koncentratai pirmiausia išvalomi chlorinimo ir distiliavimo būdu, gaunant germanio tetrachloridą (GeCl4). Tada germanio tetrachloridas hidrolizuojamas ir išdžiovinamas, gaunant germanio dioksidą (GeO2). Tada oksidas redukuojamas vandeniliu, kad susidarytų germanio metalo milteliai.
Germanio milteliai išmetami į strypus aukštesnėje kaip 938,25 ° C (1720,85 ° F) temperatūroje.
Zonos tobulinimas (lydymosi ir aušinimo procesas) strypai išskiria ir pašalina priemaišas ir galiausiai sukuria aukšto grynumo germanio strypus. Komercinis germanio metalas dažnai yra daugiau kaip 99,999% grynas.
Zonoje rafinuotas germanis gali būti toliau išauginamas į kristalus, kurie supjaustomi plonais gabaliukais, kad būtų naudojami puslaidininkiuose ir optiniuose lęšiuose.
JAV geologijos tarnyba (USGS) apskaičiavo, kad 2011 m. Pasaulinė germanio gamyba buvo maždaug 120 metrinių tonų (sudėtyje yra germanio).
Apskaičiuota, kad 30% viso pasaulio germanio produkcijos perdirbama iš laužų medžiagų, pavyzdžiui, išėjusių IR lęšių. Apskaičiuota, kad 60% IR sistemose naudojamo germanio yra perdirbta.
Didžiausias germaniumą gaminančioms šalims vadovauja Kinija, kur du trečdaliai viso germanio buvo pagaminta 2011 m. Kiti pagrindiniai gamintojai yra Kanada, Rusija, JAV ir Belgija.
Pagrindiniai germanio gamintojai yra šie „Teck Resources Ltd.“, Yunnan Lincang Xinyuan Germanium Industrial Co., Umicore ir Nanjing Germanium Co.
Programos
Remiantis USGS, germanio programas galima suskirstyti į 5 grupes (nurodomas apytikslis viso suvartojimo procentas):
- IR optika - 30 proc.
- Skaidulinė optika - 20%
- Polietileno tereftalatas (PET) - 20 proc.
- Elektroninė ir saulės energija - 15 proc.
- Fosforos, metalurgija ir organiniai produktai - 5%
Germanio kristalai užauginami ir suformuojami į lęšius ir langus IR arba šiluminio vaizdo optinėms sistemoms. Maždaug pusę visų tokių sistemų, kurios labai priklauso nuo karinės paklausos, sudaro germanis.
Sistemas sudaro nedideli rankiniai ir ant ginklų tvirtinami įtaisai, taip pat oro, sausumos ir jūrų transporto priemonėse montuojamos sistemos. Buvo stengiamasi išplėsti germanio pagrindu veikiančių IR sistemų, pavyzdžiui, aukščiausios klasės automobilių, komercinę rinką, tačiau nekarinės programos vis dar sudaro tik apie 12% paklausos.
Germanio tetrachloridas naudojamas kaip pagalbinė medžiaga arba priedas, siekiant padidinti lūžio rodiklį skaidulinių optinių linijų silicio dioksido stiklo šerdyje. Įtraukus germanį, galima išvengti signalo praradimo.
Germanio formos taip pat naudojamos substratuose gaminant PVC tiek kosmoso (palydovų), tiek antžeminei energijai gaminti.
Germanio substratai sudaro vieną sluoksnį daugiasluoksnėse sistemose, kuriose taip pat naudojamas galis, indžio fosfidas ir galilija arsenidas. Tokios sistemos, žinomos kaip koncentruotosios fotoelektros (CPV), nes jose naudojami koncentruoti lęšiai, kurie padidina saulės šviesą prieš tai paverčiami energija, pasižymi dideliu efektyvumu, tačiau yra brangesni gaminti nei kristalinis silicis arba vario-indio-galio-diselenidas (CIGS) langelius.
Apytiksliai 17 metrinių tonų germanio dioksido kasmet naudojama kaip polimerizacijos katalizatorius gaminant PET plastikus. PET plastikas visų pirma naudojamas maisto, gėrimų ir skysčių induose.
Nepaisant to, kad šeštajame dešimtmetyje jis nepavyko kaip tranzistorius, germanis dabar naudojamas kartu su siliciu kai kurių mobiliųjų telefonų ir belaidžių įrenginių tranzistorių komponentuose. SiGe tranzistoriai turi didesnį perjungimo greitį ir sunaudoja mažiau energijos nei silicio pagrindu sukurta technologija. Viena „SiGe“ lustų galutinio naudojimo programa yra automobilių saugos sistemose.
Kiti germanio naudojimo būdai elektronikoje apima fazės atminties lustus, kurie daugeliu atvejų pakeičia „flash“ atmintį elektroninius prietaisus dėl jų energijos taupymo pranašumų, taip pat substratuose, naudojamuose šviesos diodų gamyboje.
Šaltiniai:
USGS. 2010 m. Mineralų metraštis: „Germanium“. Davidas E. Gubermanas.
http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/germanium/
Mažosios metalų prekybos asociacija (MMTA). Germanis
http://www.mmta.co.uk/metals/Ge/
CK722 muziejus. Džekas Wardas.
http://www.ck722museum.com/