Erfahren Sie mehr über Germanium

Germanium ist ein seltenes, silberfarbenes Halbleitermetall, das in der Infrarot-Technologie, Glasfaserkabeln und Solarzellen eingesetzt wird.

Eigenschaften

• Atomsymbol: Ge
• Ordnungszahl: 32
• Element Kategorie: Metalloid
• Dichte: 5. 323 g / cm3
• Schmelzpunkt: 1720. 85 ° F (938. 25 ° C)
• Siedepunkt: 5131 ° F (2833 ° C)
• Mohssche Härte: 6. 0

Eigenschaften

Technisch wird Germanium als Metalloid oder Halbmetall klassifiziert. Einer aus einer Gruppe von Elementen, die Eigenschaften von sowohl Metallen als auch Nichtmetallen besitzen.

In seiner metallischen Form ist Germanium silberfarben, hart und spröde.

Die einzigartigen Eigenschaften von Germanium sind seine Transparenz gegenüber elektromagnetischer Strahlung im nahen Infrarot (bei Wellenlängen zwischen 1600-1800 Nanometern), sein hoher Brechungsindex und seine geringe optische Dispersion.

Das Metalloid ist auch intrinsisch halbleitend.

Geschichte

Demitri Mendeleev, der Vater des Periodensystems, sagte 1869 die Existenz des Elementes Nr. 32 voraus, das er ekasilicon nannte. Siebzehn Jahre später entdeckte der Chemiker Clemens A. Winkler und isolierte das Element aus dem seltenen Mineral Argyrodit (Ag8GeS6). Er nannte das Element nach seiner Heimat Deutschland.

In den 1920er Jahren führte die Erforschung der elektrischen Eigenschaften von Germanium zur Entwicklung von hochreinem, einkristallinem Germanium. Einkristallines Germanium wurde während des Zweiten Weltkriegs als Richtdioden in Mikrowellenradarempfängern verwendet.

Die erste kommerzielle Anwendung für Germanium kam nach dem Krieg, nach der Erfindung der Transistoren von John Bardeen, Walter Brattain und William Shockley bei Bell Labs im Dezember 1947.

In den folgenden Jahren Germanium-haltige Transistoren fanden ihren Weg in Telefonschaltanlagen, militärische Computer, Hörgeräte und tragbare Funkgeräte.

Die Dinge begannen sich jedoch nach 1954 zu ändern, als Gordon Teal von Texas Instruments einen Siliziumtransistor erfand. Germanium-Transistoren hatten die Tendenz, bei hohen Temperaturen zu versagen, ein Problem, das mit Silizium gelöst werden konnte.

Bis Teal war es niemandem gelungen, Silizium mit einer so hohen Reinheit herzustellen, dass es Germanium ersetzen konnte, aber nach 1954 begann Silizium, Germanium in elektronischen Transistoren zu ersetzen, und bis Mitte der 1960er Jahre gab es praktisch keine Germaniumtransistoren mehr.

Es sollten neue Anwendungen kommen. Der Erfolg von Germanium in frühen Transistoren führte zu mehr Forschung und der Verwirklichung der Infrarot-Eigenschaften von Germanium. Letztendlich führte dies dazu, dass das Metalloid als Schlüsselkomponente von Infrarotlinsen und Fenstern verwendet wurde.

Die ersten Weltraum-Explorationsmissionen der Voyager, die in den 1970er Jahren gestartet wurden, stützten sich auf die Leistung von Silizium-Germanium (SiGe) -Photovoltaikzellen (PVCs).Germaniumbasierte PVCs sind immer noch kritisch für den Satellitenbetrieb.

Die Entwicklung und Erweiterung oder Glasfasernetze in den 1990er Jahren führten zu einer erhöhten Nachfrage nach Germanium, das zur Bildung des Glaskerns von Glasfaserkabeln verwendet wird.

Bis zum Jahr 2000 waren hocheffiziente PVCs und Leuchtdioden (LEDs), die von Germaniumsubstraten abhängig waren, zu großen Verbrauchern des Elements geworden.

Produktion

Wie die meisten Nebenmetalle wird Germanium als Nebenprodukt der Raffination von Grundmetallen produziert und nicht als Ausgangsmaterial abgebaut.

Germanium wird am häufigsten aus Sphalerit-Zinkerzen gewonnen, wird aber auch aus Flugaschekohle (aus Kohlekraftwerken) und einigen Kupfererzen gewonnen.

Unabhängig von der Herkunft des Materials werden alle Germaniumkonzentrate zuerst mit einem Chlorierungs- und Destillationsverfahren gereinigt, das Germaniumtetrachlorid (GeCl4) produziert. Germaniumtetrachlorid wird dann hydrolysiert und getrocknet, wobei Germaniumdioxid (GeO2) entsteht. Das Oxid wird dann mit Wasserstoff reduziert, um Germaniummetallpulver zu bilden.

Germaniumpulver wird bei Temperaturen über 1720 in Stäbe gegossen. 85 ° F (938. 25 ° C).

Zonenveredelung (ein Prozess des Schmelzens und Abkühlens) die Stäbe isoliert und entfernt Verunreinigungen und erzeugt letztendlich hochreine Germaniumbarren. Handelsübliches Germaniummetall ist oft mehr als 99,999% rein.

Zonenraffiniertes Germanium kann weiter in Kristalle gezüchtet werden, die zur Verwendung in Halbleitern und optischen Linsen in dünne Stücke geschnitten werden.

Die weltweite Produktion von Germanium wurde vom US Geological Survey (USGS) im Jahr 2011 auf rund 120 Tonnen geschätzt (enthält Germanium).

Geschätzte 30% der jährlichen Germaniumproduktion der Welt werden aus Altmaterialien wie z. Geschätzte 60% des in IR-Systemen verwendeten Germaniums werden jetzt recycelt.

Die größten Germanium produzierenden Nationen werden von China angeführt, wo 2011 zwei Drittel des Germaniums produziert wurden. Weitere wichtige Produzenten sind Kanada, Russland, die USA und Belgien.

Zu ​​den wichtigsten Germaniumproduzenten gehören Teck Resources Ltd., Yunnan Lincang Xinyuan Germanium Industrial Co., Umicore und Nanjing Germanium Co.

Anwendungen

Nach Angaben der USGS können Germanium-Anwendungen in 5 Gruppen eingeteilt werden (gefolgt von ungefährer Anteil am Gesamtverbrauch):

1. IR-Optik - 30%
2. Faseroptik - 20%
3. Polyethylenterephthalat (PET) - 20%
4. Elektronik und Solar - 15%
5. Phosphor, Metallurgie und organisch - 5%

Germaniumkristalle werden gezüchtet und zu Linsen und Fenster für IR- oder thermische Abbildungsoptiken geformt. Ungefähr die Hälfte aller solcher Systeme, die stark von der militärischen Nachfrage abhängig sind, umfassen Germanium.

Systeme umfassen kleine handgehaltene und waffenmontierte Vorrichtungen sowie luft-, land- und seebasierte fahrzeugmontierte Systeme. Es wurden Anstrengungen unternommen, um den kommerziellen Markt für Germanium-basierte IR-Systeme, wie beispielsweise in High-End-Autos, zu vergrößern, aber nichtmilitärische Anwendungen machen immer noch nur etwa 12% der Nachfrage aus.

Germaniumtetrachlorid wird als Dotierstoff oder Additiv verwendet, um den Brechungsindex im Quarzglaskern von Glasfaserleitungen zu erhöhen. Durch die Einbindung von Germanium wird ein Signalverlust verhindert.

Formen von Germanium werden auch in Substraten zur Herstellung von PVCs sowohl für die Weltraum- (Satelliten) als auch für die terrestrische Stromerzeugung verwendet.

Germaniumsubstrate bilden eine Schicht in Mehrschichtsystemen, die ebenfalls Gallium, Indiumphosphid und Galliumarsenid verwenden. Solche Systeme, die als konzentrierte Photovoltaik (CPVs) bekannt sind, weil sie konzentrierende Linsen verwenden, die das Sonnenlicht vor der Umwandlung in Energie vergrößern, weisen hohe Wirkungsgrade auf, sind jedoch teurer in der Herstellung als kristallines Silizium oder Kupfer-Indium-Gallium. Diselenid (CIGS) -Zellen.

Rund 17 Tonnen Germaniumdioxid werden jedes Jahr als Polymerisationskatalysator bei der Herstellung von PET-Kunststoffen eingesetzt. PET-Kunststoff wird vor allem in Lebensmittel-, Getränke- und Flüssigkeitsbehältern eingesetzt.

Trotz seines Versagens als Transistor in den 1950er Jahren wird Germanium nun zusammen mit Silizium in Transistorkomponenten für einige Mobiltelefone und drahtlose Geräte verwendet. SiGe-Transistoren haben größere Schaltgeschwindigkeiten und verbrauchen weniger Strom als Silizium-basierte Technologie. Eine Endanwendung für SiGe-Chips ist in Kraftfahrzeugsicherheitssystemen.

Andere Anwendungen für Germanium in der Elektronik umfassen Phasen-Speicherchips, die aufgrund ihrer energiesparenden Vorteile den Flash-Speicher in vielen elektronischen Geräten ersetzen, sowie in Substraten, die bei der Herstellung von LEDs verwendet werden.

_Quellen:

_{USGS. Jahrbuch der Mineralien 2010: Germanium. David E. Guberman.}
// Mineralien. Usgs. gov / Mineralien / Pubs / Waren / Germanium /

_{Minor Metals Trade Association (MMTA). Germanium}
// www. mmta. co. de / metalle / Ge /

_{CK722 Museum. Jack Ward.}
// www. ck722museum. com /