Germānija īpašības, vēsture un pielietojums
Germānija metāla lietnis. Attēla autortiesības SIA Strategic Metal Investments.
Germānija ir rets sudraba krāsas pusvadītāju metāls, ko izmanto infrasarkanajā tehnoloģijā, optisko šķiedru kabeļos un saules baterijās.
Īpašības
- Atomu simbols: Ge
- Atomu skaits: 32
- Elementa kategorija: Metaloīds
- Blīvums: 5,323 g/cm3
- Kušanas temperatūra: 1720,85 °F (938,25 °C)
- Vārīšanās temperatūra: 5131 °F (2833 °C)
- Mosa cietība: 6,0
Raksturlielumi
Tehniski germānija tiek klasificēta kā a metaloīds vai pusmetāls. Viena no elementu grupām, kam piemīt gan metālu, gan nemetālu īpašības.
Metāliskā formā germānija ir sudraba krāsā, cieta un trausla.
Germānija unikālās īpašības ietver tā caurspīdīgumu tuvu infrasarkanajam elektromagnētiskajam starojumam (viļņu garumā no 1600 līdz 1800 nanometriem), tā augsto refrakcijas indeksu un zemo optisko izkliedi.
Metaloīds arī pēc būtības ir pusvadošs.
Vēsture
Periodiskās tabulas tēvs Demitrijs Mendeļejevs paredzēja elementa numuru 32 esamību, ko viņš nosauca. ekasilīcija 1869. gadā. Septiņpadsmit gadus vēlāk ķīmiķis Klemenss A. Vinklers atklāja un izolēja elementu no retā minerāla argirodīta (Ag8GeS6). Elementu viņš nosauca savas dzimtenes Vācijas vārdā.
20. gadsimta 20. gados pētījumos par germānija elektriskajām īpašībām tika izveidots augstas tīrības pakāpes vienkristāla germānija. Viena kristāla germānija tika izmantota kā taisngriežu diodes mikroviļņu radaru uztvērējos Otrā pasaules kara laikā.
Pirmais komerciālais germānija pielietojums radās pēc kara pēc tam, kad Džons Bārdīns, Valters Bretens un Viljams Šoklijs 1947. gada decembrī uzņēmumā Bell Labs izgudroja tranzistorus. Turpmākajos gados germāniju saturošie tranzistori nonāca telefona komutācijas iekārtās. , militārie datori, dzirdes aparāti un portatīvie radioaparāti.
Tomēr lietas sāka mainīties pēc 1954. gada, kad Gordons Tīls no Texas Instruments izgudroja a silīcijs tranzistors. Germānija tranzistoriem bija tendence sabojāt augstās temperatūrās, un šo problēmu varēja atrisināt ar silīciju. Līdz Tealam neviens nebija spējis ražot silīciju ar pietiekami augstu tīrības pakāpi, lai aizstātu germāniju, taču pēc 1954. gada silīcijs sāka aizstāt germāniju elektroniskajos tranzistoros, un līdz 60. gadu vidum germānija tranzistori praktiski vairs nepastāvēja.
Bija jānāk jauniem pieteikumiem. Germānija panākumi agrīnajos tranzistoros izraisīja vairāk pētījumu un germānija infrasarkano īpašību realizāciju. Galu galā metaloīds tika izmantots kā infrasarkano (IR) objektīvu un logu galvenā sastāvdaļa.
Pirmās Voyager kosmosa izpētes misijas, kas tika uzsāktas 1970. gados, balstījās uz silīcija-germānija (SiGe) fotoelektrisko elementu (PVC) ražoto jaudu. Uz germānija balstīti PVC joprojām ir ļoti svarīgi satelītu darbībā.
Optisko šķiedru tīklu attīstība un paplašināšana 1990. gados palielināja pieprasījumu pēc germānija, ko izmanto, lai veidotu optisko šķiedru kabeļu stikla serdi.
Līdz 2000. gadam augstas efektivitātes PVC un gaismas diodes (LED), kas ir atkarīgi no germānija substrātiem, bija kļuvuši par lieliem elementa patērētājiem.
Ražošana
Tāpat kā vairums mazāko metālu, germānija tiek ražots kā parasto metālu rafinēšanas blakusprodukts un netiek iegūts kā primārais materiāls.
Ģermāniju visbiežāk ražo no sfalerīta cinks rūdas, bet ir zināms arī, ka tās iegūst no pelnu akmeņoglēm (ražotas no ogļu spēkstacijām) un dažiem varš rūdas.
Neatkarīgi no materiāla avota visi germānija koncentrāti vispirms tiek attīrīti, izmantojot hlorēšanas un destilācijas procesu, kas rada germānija tetrahlorīdu (GeCl4). Pēc tam ģermānija tetrahlorīdu hidrolizē un žāvē, iegūstot germānija dioksīdu (GeO2). Pēc tam oksīdu reducē ar ūdeņradi, veidojot germānija metāla pulveri.
Ģermānija pulveris tiek izliets stieņos temperatūrā, kas pārsniedz 938,25 °C (1720,85 °F).
Zonu attīrīšana (kausēšanas un dzesēšanas process) stieņus izolē un noņem piemaisījumus, un galu galā tiek iegūti augstas tīrības pakāpes germānija stieņi. Komerciālais germānija metāls bieži ir vairāk nekā 99,999% tīrs.
Zonā attīrītu germāniju var tālāk audzēt kristālos, kas tiek sagriezti plānos gabaliņos izmantošanai pusvadītājos un optiskajās lēcās.
ASV Ģeoloģijas dienests (USGS) lēsa, ka 2011. gadā germānija saražotā pasaulē bija aptuveni 120 metriskās tonnas (satur germāniju).
Tiek lēsts, ka aptuveni 30% no pasaulē saražotās germānijas ikgadējās produkcijas tiek pārstrādāti no lūžņiem, piemēram, IR objektīviem. Aptuveni 60% IR sistēmās izmantotā germānija tagad tiek pārstrādāti.
Lielākās germānija ražotājvalstis ir Ķīna, kur 2011. gadā tika saražotas divas trešdaļas no visa germānija. Citi lielākie ražotāji ir Kanāda, Krievija, ASV un Beļģija.
Lielākie germānija ražotāji ietverTeck Resources Ltd., Yunnan Lincang Xinyuan Germanium Industrial Co., Umicore un Nanjing Germanium Co.
Lietojumprogrammas
Saskaņā ar USGS germānija lietojumus var iedalīt 5 grupās (pēc tam norāda aptuveno procentuālo daļu no kopējā patēriņa):
- IR optika - 30%
- optiskās šķiedras — 20%
- Polietilēntereftalāts (PET) - 20%
- Elektronika un saules enerģija - 15%
- Fosfors, metalurģija un organiskā viela - 5%
Germānija kristāli tiek audzēti un veidoti lēcās un logā IR vai termiskās attēlveidošanas optiskajām sistēmām. Aptuveni puse no visām šādām sistēmām, kas ir ļoti atkarīgas no militārā pieprasījuma, ietver germānu.
Sistēmas ietver mazas rokas un uz ieročiem montētas ierīces, kā arī gaisa, sauszemes un jūras transportlīdzekļos uzstādītas sistēmas. Ir pieliktas pūles, lai palielinātu uz germānija balstītu IR sistēmu komerciālo tirgu, piemēram, augstākās klases automašīnās, taču nemilitāri lietojumi joprojām veido tikai aptuveni 12% no pieprasījuma.
Germānija tetrahlorīds tiek izmantots kā piedeva vai piedeva, lai palielinātu refrakcijas indeksu optisko šķiedru līniju silīcija stikla kodolā. Iekļaujot germāniju, var novērst signāla zudumu.
Germānija formas izmanto arī substrātos, lai ražotu PVC gan kosmosa (satelītu), gan zemes enerģijas ražošanai.
Germānija substrāti veido vienu slāni daudzslāņu sistēmās, kurās tiek izmantots arī gallijs, indija fosfīds un gallijs arsenīds. Šādām sistēmām, ko sauc par koncentrētām fotoelementiem (CPV), jo tajās tiek izmantotas koncentrētas lēcas, kas palielina saules gaismu, pirms tā tiek pārveidota enerģijā, tām ir augsts efektivitātes līmenis, taču to ražošana ir dārgāka nekā kristāliskā silīcija vai vara-indija-gallija ražošana. diselenīda (CIGS) šūnas.
Katru gadu PET plastmasas ražošanā kā polimerizācijas katalizators tiek izmantotas aptuveni 17 metriskās tonnas germānija dioksīda. PET plastmasu galvenokārt izmanto pārtikas, dzērienu un šķidrumu tvertnēs.
Neskatoties uz to, ka 1950. gados germānija tika izmantota kā tranzistors, to tagad izmanto 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 veidota tehnoloģija. Viens SiGe mikroshēmu gala lietojums ir automobiļu drošības sistēmās.
Citas germānijas izmantošanas iespējas elektronikā ietver fāzes atmiņas mikroshēmas, kas aizstāj zibatmiņu daudzās elektroniskajās ierīcēs to enerģijas taupīšanas priekšrocību dēļ, kā arī substrātos, ko izmanto gaismas diožu ražošanā.
Avoti:
USGS. 2010. gada minerālu gadagrāmata: Ģermānija. Deivids E. Gubermans.
http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/germanium/
Mazo metālu tirdzniecības asociācija (MMTA). Germānija
http://www.mmta.co.uk/metals/Ge/
CK722 muzejs. Džeks Vords.
http://www.ck722museum.com/