Germanium egenskaper, historie og applikasjoner

En metallblokk av germanium. Bildeopphavsrett Strategic Metal Investments Ltd.

Germanium er et sjeldent, sølvfarget halvledermetall som brukes i infrarød teknologi, fiberoptiske kabler og solceller.

Eiendommer

• Atomsymbol: Ge
• Atomnummer: 32
• Elementkategori: Metalloid
• Tetthet: 5,323 g/cm3
• Smeltepunkt: 1720,85 °F (938,25 °C)
• Kokepunkt: 5131 °F (2833 °C)
• Mohs hardhet: 6,0

Kjennetegn

Teknisk sett er germanium klassifisert som en metalloid eller halvmetall. En av en gruppe grunnstoffer som har egenskaper til både metaller og ikke-metaller.

I sin metalliske form er germanium sølvfarget, hardt og sprøtt.

Germaniums unike egenskaper inkluderer dens gjennomsiktighet for nær-infrarød elektromagnetisk stråling (ved bølgelengder mellom 1600-1800 nanometer), dens høye brytningsindeks og dens lave optiske spredning.

Metalloidet er også i seg selv halvledende.

Historie

Demitri Mendeleev, faren til det periodiske systemet, forutså eksistensen av element nummer 32, som han kalte ekasilisium , i 1869. Sytten år senere oppdaget og isolerte kjemikeren Clemens A. Winkler grunnstoffet fra det sjeldne mineralet argyroditt (Ag8GeS6). Han oppkalte elementet etter sitt hjemland, Tyskland.

I løpet av 1920-årene resulterte forskning på de elektriske egenskapene til germanium i utviklingen av en-krystall-germanium med høy renhet. Enkeltkrystall germanium ble brukt som likeretterdioder i mikrobølgeradarmottakere under andre verdenskrig.

Den første kommersielle applikasjonen for germanium kom etter krigen, etter oppfinnelsen av transistorer av John Bardeen, Walter Brattain og William Shockley ved Bell Labs i desember 1947. I årene etter fant germaniumholdige transistorer veien inn i telefonsvitsjeutstyr , militære datamaskiner, høreapparater og bærbare radioer.

Ting begynte imidlertid å endre seg etter 1954, da Gordon Teal fra Texas Instruments oppfant en silisium transistor. Germanium-transistorer hadde en tendens til å svikte ved høye temperaturer, et problem som kunne løses med silisium. Inntil Teal hadde ingen vært i stand til å produsere silisium med høy nok renhet til å erstatte germanium, men etter 1954 begynte silisium å erstatte germanium i elektroniske transistorer, og på midten av 1960-tallet var germaniumtransistorer så å si ikke-eksisterende.

Nye søknader skulle komme. Suksessen til germanium i tidlige transistorer førte til mer forskning og realisering av germaniums infrarøde egenskaper. Til syvende og sist resulterte dette i at metalloiden ble brukt som en nøkkelkomponent i infrarøde (IR) linser og vinduer.

De første Voyager-romutforskningsoppdragene som ble lansert på 1970-tallet var avhengig av kraft produsert av silisium-germanium (SiGe) fotovoltaiske celler (PVC). Germanium-baserte PVC-er er fortsatt kritiske for satellittoperasjoner.

Utviklingen og utvidelsen av fiberoptiske nettverk på 1990-tallet førte til økt etterspørsel etter germanium, som brukes til å danne glasskjernen i fiberoptiske kabler.

I 2000 hadde høyeffektive PVC-er og lysemitterende dioder (LED) avhengig av germaniumsubstrater blitt storforbrukere av elementet.

Produksjon

Som de fleste mindre metaller produseres germanium som et biprodukt av raffinering av uedelt metall og utvinnes ikke som et primærmateriale.

Germanium produseres oftest av sfaleritt sink malm, men er også kjent for å utvinnes fra flyveaskekull (produsert fra kullkraftverk) og noen kobber malm.

Uavhengig av materialekilden blir alle germaniumkonsentrater først renset ved hjelp av en klorerings- og destillasjonsprosess som produserer germaniumtetraklorid (GeCl4). Germaniumtetraklorid blir deretter hydrolysert og tørket, og produserer germaniumdioksid (GeO2). Oksydet reduseres deretter med hydrogen for å danne germaniummetallpulver.

Germaniumpulver støpes til stenger ved temperaturer over 1720,85 °F (938,25 °C).

Soneraffinering (en prosess med smelting og avkjøling) stengene isolerer og fjerner urenheter og produserer til slutt høyrente germaniumstenger. Kommersielt germaniummetall er ofte mer enn 99,999 % rent.

Soneraffinert germanium kan videre dyrkes til krystaller, som skjæres i tynne biter for bruk i halvledere og optiske linser.

Global produksjon av germanium ble estimert av US Geological Survey (USGS) til å være omtrent 120 tonn i 2011 (inneholdt germanium).

Anslagsvis 30 % av verdens årlige germaniumproduksjon resirkuleres fra skrapmaterialer, for eksempel pensjonerte IR-linser. Anslagsvis 60 % av germanium som brukes i IR-systemer er nå resirkulert.

De største germaniumproduserende nasjonene ledes av Kina, hvor to tredjedeler av all germanium ble produsert i 2011. Andre store produsenter inkluderer Canada, Russland, USA og Belgia.

Store germaniumprodusenter inkludererTeck Resources Ltd., Yunnan Lincang Xinyuan Germanium Industrial Co., Umicore og Nanjing Germanium Co.

applikasjoner

I følge USGS kan germaniumapplikasjoner klassifiseres i 5 grupper (etterfulgt av en omtrentlig prosentandel av det totale forbruket):

1. IR-optikk - 30 %
2. Fiberoptikk - 20 %
3. Polyetylentereftalat (PET) - 20 %
4. Elektronisk og solenergi - 15 %
5. Fosfor, metallurgi og organisk - 5 %

Germaniumkrystaller dyrkes og formes til linser og vindu for IR- eller termiske avbildningssystemer. Omtrent halvparten av alle slike systemer, som er sterkt avhengig av militær etterspørsel, inkluderer germanium.

Systemer inkluderer små håndholdte og våpenmonterte enheter, samt luft-, land- og sjøbaserte kjøretøymonterte systemer. Det er gjort anstrengelser for å utvide det kommersielle markedet for germaniumbaserte IR-systemer, for eksempel i avanserte biler, men ikke-militære applikasjoner står fortsatt for bare rundt 12 % av etterspørselen.

Germaniumtetraklorid brukes som dopingmiddel - eller tilsetningsstoff - for å øke brytningsindeksen i silikaglasskjernen til fiberoptiske linjer. Ved å inkorporere germanium kan signaltap forhindres.

Former for germanium brukes også i underlag for å produsere PVC-er for både rombasert (satellitt) og terrestrisk kraftproduksjon.

Germaniumsubstrater danner ett lag i flerlagssystemer som også bruker gallium, indiumfosfid og gallium arsenid. Slike systemer, kjent som konsentrert fotovoltaikk (CPV) på grunn av deres bruk av konsentrerende linser som forstørrer sollyset før det omdannes til energi, har høye effektivitetsnivåer, men er dyrere å produsere enn krystallinsk silisium eller kobber-indium-gallium- diselenid (CIGS) celler.

Omtrent 17 tonn germaniumdioksid brukes som polymerisasjonskatalysator i produksjonen av PET-plast hvert år. PET-plast brukes først og fremst i mat-, drikke- og væskebeholdere.

Til tross for feilen som transistor på 1950-tallet, brukes germanium nå sammen med silisium i transistorkomponenter for noen mobiltelefoner og trådløse enheter. SiGe-transistorer har høyere byttehastigheter og bruker mindre strøm enn silisiumbasert teknologi. En sluttbruksapplikasjon for SiGe-brikker er i sikkerhetssystemer for biler.

Andre bruksområder for germanium i elektronikk inkluderer in-fase minnebrikker, som erstatter flashminne i mange elektroniske enheter på grunn av deres energisparende fordeler, så vel som i substrater som brukes i produksjon av LED.

_Kilder:

_{USGS. Minerals årbok 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/