Germaanium on haruldane hõbedane pooljuhtmetall, mida kasutatakse infrapunatehnoloogias, fiiberoptilistes kaablites ja päikesepatareides.
Omadused
- Aatomisümbol: Ge
- Aatomarv: 32
- Elementide kategooria: metalloid
- Tihedus: 5,332 g / cm3
- Sulamistemperatuur: 938,25 ° C (1720,85 ° F).
- Keemispunkt: 2833 ° C (5131 ° F)
- Mohsi karedus: 6,0
Omadused
Tehniliselt liigitatakse germaanium a metalloid või poolmetall. Üks elementide grupist, millel on nii metallide kui ka mittemetallide omadused.
Metallilisel kujul on germaanium hõbedane, kõva ja rabe.
Germaaniumi ainulaadsete omaduste hulka kuulub selle läbipaistvus lähi-infrapuna elektromagnetilise kiirguse suhtes (lainepikkustel vahemikus 1600-1800 nanomeetrit), selle kõrge murdumisnäitaja ja madal optiline hajutatus.
Metalloid on ka sisemiselt pooljuhtiv.
Ajalugu
Periooditabeli isa Demitri Mendelejev ennustas elemendi numbri 32 olemasolu, mille ta nimetas ekasilicon, 1869. aastal. Seitseteist aastat hiljem oli keemik Clemens A. Winkler avastas ja isoleeris elemendi haruldasest mineraalsest argyrodiidist (Ag8GeS6). Ta nimetas elementi oma kodumaa Saksamaa järgi.
1920-ndate aastate jooksul viisid germaaniumi elektriliste omaduste uurimisel välja kõrge puhtusastmega ühekristallilise germaaniumi. Ühekristallilist germaaniumi kasutati II maailmasõja ajal mikrolaineradari vastuvõtjates alaldidioodidena.
Esimene germaaniumiga seotud kommertsrakendus tuli pärast sõda pärast John Bardeeni, Walter Brattaini ja William Shockley poolt transistoride leiutamist Bell Labsis 1947. aasta detsembris. Järgnevatel aastatel leidsid germaaniumit sisaldavad transistorid tee telefoni lülitusseadmetesse, sõjaväearvutitesse, kuuldeaparaatidesse ja kaasaskantavatesse raadiodesse.
Asjad hakkasid muutuma pärast 1954. aastat, kui Gordon Teal Texas Instrumentsist leiutas a räni transistor. Germaaniumi transistoritel oli kalduvus kõrgetel temperatuuridel ebaõnnestuda - seda probleemi oli võimalik lahendada räni abil. Kuni Tealini polnud keegi veel suutnud germaaniumi asendamiseks toota piisavalt kõrge puhtusastmega räni, kuid pärast 1954. aastat räni hakkasid germaaniumi asendama elektroonilistes transistorides ja 1960. aastate keskpaigaks olid germaaniumi transistorid praktiliselt olemas olematu.
Uusi rakendusi pidi tulema. Germaaniumi edu varasetes transistorides tõi kaasa rohkem uuringuid ja germaaniumi infrapunaomaduste mõistmist. Lõppkokkuvõttes saadi metalloidi kasutada infrapuna (IR) läätsede ja akende põhikomponendina.
Esimesed Voyageri kosmoseuuringute missioonid, mis käivitati 1970. aastatel, tuginesid räni-germaaniumi (SiGe) fotogalvaaniliste elementide (PVC) toodetud energiale. Germaaniumil põhinevad PVC-d on satelliitoperatsioonide jaoks endiselt kriitilised.
Kiudoptiliste võrkude arendamine ja laiendamine 1990ndatel tõi kaasa suurema nõudluse germaaniumi järele, mida kasutatakse kiudoptiliste kaablite klaasist südamiku moodustamiseks.
2000. aastaks olid kõrge efektiivsusega PVC-d ja valgusdioodid (LED-id), mis sõltuvad germaaniumisubstraatidest, elemendi suurtarbijateks.
Tootmine
Nagu enamik vähemtähtsaid metalle, toodetakse ka germaanium mitteväärismetallide rafineerimise kõrvalsaadusena ja seda ei kaevandata primaarmaterjalina.
Germaaniumi toodetakse enamasti sphaleriidist tsink maakid, kuid kaevandatakse teadaolevalt lendtuhast söest (toodetud söelektrijaamadest) ja mõnest muust vask maagid.
Olenemata materjali allikast puhastatakse kõik germaaniumikontsentraadid esmalt kloorimis- ja destilleerimisprotsessis, millest saadakse germaaniumtetrakloriid (GeCl4). Seejärel hüdrolüüsitakse ja kuivatatakse germaaniumtetrakloriid, saades germaaniumdioksiidi (GeO2). Seejärel redutseeritakse oksiid vesinikuga, moodustades germaaniummetallipulbri.
Germaaniumi pulber valatakse ribadeks temperatuuril üle 1720,85 ° F (938,25 ° C).
Tsooniga rafineerimine (sulamis- ja jahutusprotsess) eraldavad ja eemaldavad vardad lisanditest ja lõppkokkuvõttes saadakse kõrge puhtusastmega germaaniumivardad. Kaubanduses kasutatav germaaniummetall on sageli enam kui 99,999% puhas.
Tsooniga rafineeritud germaaniumi saab veelgi kasvatada kristallideks, mis viilutatakse õhukesteks tükkideks pooljuhtide ja optiliste läätsede jaoks.
USA geoloogiakeskuse (USGS) hinnangul oli germaaniumitoodang maailmas 2011. aastal umbes 120 tonni (sisaldas germaaniumit).
Hinnanguliselt 30% kogu maailmas aastasest germaaniumitoodangust võetakse ringlusse vanametalli materjalidest, näiteks eraldatud IR-läätsedest. Hinnanguliselt 60% IR-süsteemides kasutatavast germaaniumist on nüüd ringlusse võetud.
Suurimaid germaaniumit tootvaid riike juhib Hiina, kus kaks kolmandikku kogu germaaniumist toodeti 2011. aastal. Muud suured tootjad on Kanada, Venemaa, USA ja Belgia.
Suuremate germaaniumitootjate hulka kuuluvad Teck Resources Ltd., Yunnan Lincang Xinyuan Germanium Industrial Co, Umicore ja Nanjing Germanium Co.
Rakendused
USGSi kohaselt võib germaaniumirakendused jagada 5 rühma (millele järgneb ligikaudne protsent kogutarbimisest):
- IR-optika - 30%
- Kiudoptika - 20%
- Polüetüleentereftalaat (PET) - 20%
- Elektroonika ja päikeseenergia - 15%
- Fosforid, metallurgia ja orgaanilised ühendid - 5%
Germaaniumi kristalle kasvatatakse ja neist saadakse läätsed ja aknad infrapuna- või termopildiliste optiliste süsteemide jaoks. Ligikaudu pooled kõigist sellistest süsteemidest, mis sõltuvad suuresti sõjalisest nõudlusest, hõlmavad germaaniumi.
Süsteemid hõlmavad väikeseid käeshoitavaid ja relvade külge kinnitatavaid seadmeid, samuti õhu-, maa- ja merepõhiseid sõidukile paigaldatavaid süsteeme. Germaaniumipõhiste IR-süsteemide, näiteks kallite autode kommertsturu turgu on püütud kasvatada, kuid mittesõjalised rakendused moodustavad endiselt vaid umbes 12% nõudlusest.
Geeniumi tetrakloriidi kasutatakse lisandina - või lisandina - fiiberoptiliste liinide ränidioksiidi klaastuuma murdumisnäitaja suurendamiseks. Germaaniumi lisamisega saab vältida signaali kadu.
Germaaniumi vorme kasutatakse aluspindades ka PVC-de tootmiseks nii kosmosepõhise (satelliitide) kui ka maapealse elektritootmise jaoks.
Germaaniumi substraadid moodustavad ühe kihi mitmekihilistes süsteemides, kus kasutatakse ka galliumi, indiumfosfiidi ja gallium arseniid. Sellised süsteemid, mida nimetatakse kontsentreeritud fotogalvaaniks (CPV), on tänu kontsentreeritavatele läätsedele, mis suurendavad päikesevalgust enne, kui see on energiaks muundatud, nende tõhusus on kõrge, kuid nende tootmine on kulukam kui kristalse räni või vask-indium-gallium-diseleniidiga (CIGS) lahtrid.
Aastas kasutatakse PET-plastide tootmisel polümerisatsiooni katalüsaatorina umbes 17 tonni germaaniumdioksiidi. PET-plasti kasutatakse peamiselt toiduainete, jookide ja vedelike mahutites.
Vaatamata ebaõnnestumisele transistorina 1950ndatel, kasutatakse germaaniumi nüüd koos räniga mõnede mobiiltelefonide ja traadita seadmete transistorikomponentides. SiGe transistoridel on suuremad lülituskiirused ja nad kasutavad vähem energiat kui räni baasil põhinev tehnoloogia. Üks SiGe kiipide lõppkasutusrakendus on autode ohutussüsteemides.
Muud germaaniumi kasutusvõimalused elektroonikas hõlmavad faasilisi mälukiipasid, mis paljudel asendavad välkmälu elektroonikaseadmed nende energiasäästu eeliste tõttu, samuti LED-ide tootmisel kasutatavates aluspindades.
Allikad:
USGS. 2010. aasta mineraalide aastaraamat: germaanium. David E. Guberman.
http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/germanium/
Väikemetallikaubanduse liit (MMTA). Germaanium
http://www.mmta.co.uk/metals/Ge/
CK722 muuseum. Jack Ward.
http://www.ck722museum.com/