Krijg informatie over de eigenschappen, geschiedenis, productie en toepassingen
Germanium is een zeldzaam, zilverkleurig halfgeleidermetaal dat wordt gebruikt in infraroodtechnologie, glasvezelkabels en zonnecellen.
eigenschappen
- Atomic Symbol: Ge
- Atoomnummer: 32
- Elementcategorie: Metalloid
- Dichtheid: 5,332 g / cm3
- Smeltpunt: 1720.85 ° F (938.25 ° C)
- Kookpunt: 5131 ° F (2833 ° C)
- Mohs-hardheid: 6.0
Kenmerken
Technisch gezien is germanium geclassificeerd als een metalloïde of semi-metaal. Een van een groep elementen die eigenschappen van zowel metalen als niet-metalen bezit.
In zijn metaalachtige vorm is germanium zilver van kleur, hard en broos.
De unieke eigenschappen van Germanium omvatten de transparantie tot elektromagnetische straling in de buurt van infrarood (bij een golflengte tussen 1600 en 1800 nanometer), de hoge brekingsindex en de lage optische spreiding.
Het metalloïde is ook intrinsiek halfgeleidend.
Geschiedenis
Demitri Mendelejev, de vader van het periodiek systeem, voorspelde het bestaan van element nummer 32, dat hij ekasilicon noemde, in 1869. Zeventien jaar later ontdekte en isoleerde chemicus Clemens A. Winkler het element uit het zeldzame minerale argyrodiet (Ag8GeS6). Hij noemde het element naar zijn geboorteland, Duitsland.
Tijdens de jaren 1920 resulteerde onderzoek naar de elektrische eigenschappen van germanium in de ontwikkeling van hoogzuiver, monokristallijn germanium. Single-crystal germanium werd gebruikt als rectificerende diodes in microgolf radarontvangers tijdens de Tweede Wereldoorlog.
De eerste commerciële toepassing voor germanium kwam na de oorlog, na de uitvinding van transistors door John Bardeen, Walter Brattain en William Shockley in Bell Labs in december 1947.
In de jaren daarna vonden germanium-bevattende transistors hun weg naar telefoonschakelapparatuur, militaire computers, hoortoestellen en draagbare radio's.
De dingen begonnen na 1954 te veranderen, toen Gordon Teal van Texas Instruments een siliciumtransistor uitvond. Germaniumtransistors hadden de neiging te falen bij hoge temperaturen, een probleem dat met silicium opgelost kon worden.
Tot aan Winter was niemand in staat silicium te produceren met een voldoende hoge zuiverheid om germanium te vervangen, maar na 1954 begon silicium germanium te vervangen in elektronische transistors en tegen het midden van de jaren zestig waren germaniumtransistors vrijwel onbestaande.
Nieuwe toepassingen zouden komen. Het succes van germanium in vroege transistors leidde tot meer onderzoek en de realisatie van infrarood eigenschappen van germanium. Uiteindelijk resulteerde dit in de metalloïde die wordt gebruikt als een hoofdcomponent van infrarood (IR) lenzen en vensters.
De eerste Voyager-ruimteverkenningsmissies die in de jaren zeventig van de vorige eeuw werden gelanceerd, waren gebaseerd op stroom geproduceerd door silicium-germanium (SiGe) fotovoltaïsche cellen (PVC's). Op germanium gebaseerde PVC's zijn nog steeds van cruciaal belang voor satellietoperaties.
De ontwikkeling en uitbreiding of glasvezelnetwerken in de jaren 1990 leidde tot een grotere vraag naar germanium, dat wordt gebruikt om de glaskern van glasvezelkabels te vormen.
In 2000 waren hoogrendabele PVC's en light-emitting diodes (LED's) afhankelijk van germaniumsubstraten tot grote afnemers van het element geworden.
Productie
Net als de meeste minder belangrijke metalen wordt germanium geproduceerd als een bijproduct van de raffinage van onedel metaal en wordt het niet als grondstof gewonnen.
Germanium wordt meestal geproduceerd uit zinkerts uit de zouthal, maar het is ook bekend dat het wordt gewonnen uit vliegaskool (geproduceerd uit steenkoolcentrales) en enkele koperertsen .
Ongeacht de bron van het materiaal worden alle germaniumconcentraten eerst gezuiverd met behulp van een chlorerings- en destillatieproces dat germaniumtetrachloride (GeCl4) produceert. Germaniumtetrachloride wordt vervolgens gehydrolyseerd en gedroogd, waarbij germaniumdioxide (GeO2) wordt geproduceerd. Het oxide wordt vervolgens gereduceerd met waterstof om germaniummetaalpoeder te vormen.
Germaniumpoeder wordt in staven gegoten bij temperaturen boven 1720.85 ° F (938,25 ° C).
Zone-raffinage (een proces van smelten en koelen) de staven isoleren en verwijderen onzuiverheden en produceren uiteindelijk germaniumbars met een hoge zuiverheid. Commercieel germaniummetaal is vaak meer dan 99,999% zuiver.
Zone-verfijnd germanium kan verder worden uitgegroeid tot kristallen, die in dunne stukjes worden gesneden voor gebruik in halfgeleiders en optische lenzen.
De wereldwijde productie van germanium werd door de US Geological Survey (USGS) geschat op ongeveer 120 ton in 2011 (bevat germanium).
Naar schatting wordt 30% van de jaarlijkse productie van germanium in de wereld gerecycled uit afvalmaterialen, zoals IR-lenzen met gepensioneerde lenzen. Naar schatting wordt 60% van het gebruikte germanium in IR-systemen gerecycled.
De grootste germaniumproducerende landen worden geleid door China, waar tweederde van alle germanium werd geproduceerd in 2011. Andere belangrijke producenten zijn Canada, Rusland, de VS en België.
Belangrijke germaniumproducenten zijn Teck Resources Ltd. , Yunnan Lincang Xinyuan Germanium Industrial Co., Umicore en Nanjing Germanium Co.
toepassingen
Volgens de USGS kunnen germaniumtoepassingen worden ingedeeld in 5 groepen (gevolgd door een geschat percentage van het totale verbruik):
- IR-optiek - 30%
- Glasvezel - 20%
- Polyethyleentereftalaat (PET) - 20%
- Elektronisch en zonne-energie - 15%
- Fosforen, metallurgie en organische - 5%
Germanium-kristallen worden gegroeid en gevormd in lenzen en venster voor IR of thermische beeldvorming optische systemen. Ongeveer de helft van al deze systemen, die sterk afhankelijk zijn van de militaire vraag, omvatten germanium.
Systemen omvatten kleine in de hand gehouden en op wapens gemonteerde apparaten, evenals op lucht, land en op zee gebaseerde op het voertuig gemonteerde systemen. Er zijn inspanningen geleverd om de commerciële markt voor op germanium gebaseerde IR-systemen te laten groeien, zoals in high-end auto's, maar niet-militaire toepassingen zijn nog steeds goed voor slechts ongeveer 12% van de vraag.
Germaniumtetrachloride wordt gebruikt als een doteermiddel - of additief - om de brekingsindex in de silicaglaskern van vezeloptische lijnen te vergroten. Door germanium op te nemen, kan signaalverlies worden voorkomen.
Vormen van germanium worden ook in substraten gebruikt om PVC's te produceren voor zowel ruimtegebaseerde (satellieten) als terrestrische stroomopwekking.
Germaniumsubstraten vormen één laag in meerlagige systemen die ook gallium, indiumfosfide en galliumarsenide gebruiken. Dergelijke systemen, bekend als geconcentreerde fotovoltaïsche cellen (CPV's) vanwege hun gebruik van concentrerende lenzen die het zonnelicht vergroten voordat het wordt omgezet in energie, hebben hoge efficiëntieniveaus, maar zijn duurder in de vervaardiging dan kristallijn silicium of koper-indium-gallium- diselenide (CIGS) cellen.
Ongeveer 17 ton germaniumdioxide wordt elk jaar gebruikt als polymerisatiekatalysator bij de productie van PET-kunststoffen. PET-plastic wordt voornamelijk gebruikt in voedsel-, drank- en vloeistofcontainers.
Ondanks het falen als een transistor in de jaren 1950, wordt germanium nu gebruikt in combinatie met silicium in transistorcomponenten voor sommige mobiele telefoons en draadloze apparaten. SiGe-transistors hebben hogere schakelsnelheden en verbruiken minder stroom dan op silicium gebaseerde technologie. Een eindgebruiktoepassing voor SiGe-chips is in veiligheidssystemen voor auto's.
Andere toepassingen voor germanium in elektronica omvatten in fase geheugenchips, die het flashgeheugen in veel elektronische apparaten vervangen vanwege hun energiebesparende voordelen, evenals in substraten die worden gebruikt bij de productie van LED's.
bronnen:
USGS. Jaarboek 2010 Mineralen: 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/