Germanium Eigenschappen, geschiedenis en toepassingen

Germanium is een zeldzaam, zilverkleurig halfgeleidermetaal dat wordt gebruikt in infraroodtechnologie, glasvezelkabels en zonnecellen.

• Atoomsymbool: Ge
• Atoomnummer: 32
• Elementcategorie: Metalloid
• Dichtheid: 5,323 g / cm3
• Smeltpunt: 1720,85 ° F (938,25 ° C)
• Kookpunt: 5131 ° F (2833 ° C)
• Mohs-hardheid: 6.0

Technisch gezien is germanium geclassificeerd als een metalloïde of semi-metaal. Een van een groep elementen met eigenschappen van zowel metalen als niet-metalen.

In zijn metalen vorm is germanium zilver van kleur, hard en broos.

De unieke kenmerken van Germanium zijn de transparantie voor nabij-infrarood elektromagnetische straling (bij golflengten tussen 1600-1800 nanometer), zijn hoge brekingsindex en zijn lage optische spreiding.

Het metalloïde is ook intrinsiek halfgeleidend.

Demitri Mendelejev, de vader van het periodiek systeem, voorspelde het bestaan ​​van elementnummer 32, dat hij noemde ekasilicon, in 1869. Zeventien jaar later komt chemicus Clemens A. Winkler ontdekte en isoleerde het element van het zeldzame minerale argyrodite (Ag8GeS6). Hij noemde het element naar zijn geboorteland Duitsland.

In de jaren twintig van de vorige eeuw resulteerde onderzoek naar de elektrische eigenschappen van germanium in de ontwikkeling van zeer zuiver, enkelkristalgermanium. Eenkristalgermanium werd tijdens de Tweede Wereldoorlog gebruikt als gelijkrichtdioden in microgolfradarontvangers.

De eerste commerciële toepassing van 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 daaropvolgende jaren vonden germaniumhoudende transistors hun weg naar telefoonschakelapparatuur, militaire computers, gehoorapparaten en draagbare radio's.

De dingen begonnen echter te veranderen na 1954, toen Gordon Teal van Texas Instruments een silicium transistor. Germanium-transistors hadden de neiging te falen bij hoge temperaturen, een probleem dat met silicium kon worden opgelost. Tot Teal had niemand silicium kunnen produceren met een voldoende hoge zuiverheid om germanium te vervangen, maar na 1954 silicium begon germanium te vervangen in elektronische transistors, en halverwege de jaren zestig waren germaniumtransistors vrijwel niet bestaand.

Er zouden nieuwe toepassingen komen. Het succes van germanium in vroege transistors leidde tot meer onderzoek en realisatie van de infraroodeigenschappen van germanium. Dit heeft er uiteindelijk toe geleid dat het metalloïde werd gebruikt als een belangrijk onderdeel van infrarood (IR) lenzen en ramen.

De eerste Voyager-ruimteverkenningsmissies die in de jaren zeventig werden gelanceerd, waren gebaseerd op stroom die werd geproduceerd door fotovoltaïsche cellen van silicium-germanium (SiGe) (PVC). PVC's op Germaniumbasis zijn nog steeds van cruciaal belang voor satellietoperaties.

De ontwikkeling en uitbreiding van glasvezelnetwerken in de jaren negentig leidde tot een toenemende vraag naar germanium, dat wordt gebruikt om de glaskern van glasvezelkabels te vormen.

Tegen 2000 waren hoogrenderende PVC's en lichtgevende dioden (LED's), afhankelijk van germaniumsubstraten, grote verbruikers van het element geworden.

Zoals de meeste kleine metalen, wordt germanium geproduceerd als een bijproduct van de raffinage van basismetaal en wordt het niet gewonnen als primair materiaal.

Germanium wordt meestal geproduceerd uit sfaleriet zink ertsen, maar het is ook bekend dat het wordt gewonnen uit vliegaskolen (geproduceerd uit kolencentrales) en sommige koper ertsen.

Ongeacht de materiaalbron, alle germaniumconcentraten worden eerst gezuiverd met behulp van een chlorerings- en destillatieproces dat germaniumtetrachloride (GeCl4) produceert. Germaniumtetrachloride wordt vervolgens gehydrolyseerd en gedroogd, waardoor germaniumdioxide (GeO2) ontstaat. 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 germaniumstaven met een hoge zuiverheid. Commercieel germaniummetaal is vaak meer dan 99,999% puur.

Zone-geraffineerd 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) in 2011 geschat op ongeveer 120 ton (bevatte germanium).

Naar schatting 30% van de jaarlijkse productie van germanium in de wereld wordt gerecycled uit schrootmaterialen, zoals gepensioneerde IR-lenzen. Naar schatting 60% van het germanium dat in IR-systemen wordt gebruikt, wordt nu gerecycled.

De grootste germaniumproducerende landen worden aangevoerd door China, waar tweederde van al het germanium in 2011 werd geproduceerd. Andere grote producenten zijn onder meer Canada, Rusland, de Verenigde Staten en België.

Grote germaniumproducenten zijn onder meer Teck Resources Ltd., Yunnan Lincang Xinyuan Germanium Industrial Co., Umicore en Nanjing Germanium Co.

Volgens de USGS kunnen germaniumtoepassingen in 5 groepen worden ingedeeld (gevolgd door een geschat percentage van het totale verbruik):

1. IR-optiek - 30%
2. Glasvezel - 20%
3. Polyethyleentereftalaat (PET) - 20%
4. Elektronisch en zonne-energie - 15%
5. Fosfor, metallurgie en organisch - 5%

Germaniumkristallen worden gekweekt en gevormd tot lenzen en venster voor IR- of warmtebeeld optische systemen. Ongeveer de helft van al deze systemen, die sterk afhankelijk zijn van de militaire vraag, bevat germanium.

Systemen omvatten kleine draagbare en op wapens gemonteerde apparaten, evenals op de lucht, over land en op zee gebaseerde voertuiggemonteerde systemen. Er zijn pogingen gedaan om de commerciële markt voor op germanium gebaseerde IR-systemen te laten groeien, zoals in high-end auto's, maar niet-militaire toepassingen vertegenwoordigen nog steeds slechts ongeveer 12% van de vraag.

Germaniumtetrachloride wordt gebruikt als doteermiddel - of additief - om de brekingsindex in de silicaglaskern van glasvezellijnen te verhogen. Door germanium op te nemen, kan signaalverlies worden voorkomen.

Vormen van germanium worden ook gebruikt in substraten om PVC's te produceren voor zowel ruimtegebaseerde (satellieten) als terrestrische energieopwekking.

Germaniumsubstraten vormen één laag in meerlagensystemen die ook gallium, indiumfosfide en gallium arsenide. Dergelijke systemen, bekend als geconcentreerde fotovoltaïsche cellen (CPV's) vanwege hun gebruik van concentrerende lenzen die het zonnelicht vergroten voordat het omgezet in energie, hebben een hoog rendement maar zijn duurder om te vervaardigen dan kristallijn silicium of koper-indium-gallium-diselenide (CIGS) cellen.

Jaarlijks wordt ongeveer 17 ton germaniumdioxide gebruikt als polymerisatiekatalysator bij de productie van PET-kunststoffen. PET-plastic wordt voornamelijk gebruikt in voedsel-, drank- en vloeistofcontainers.

Ondanks het falen als transistor in de jaren 1950, wordt germanium nu samen met silicium gebruikt in transistorcomponenten voor sommige mobiele telefoons en draadloze apparaten. SiGe-transistors hebben hogere schakelsnelheden en verbruiken minder stroom dan op silicium gebaseerde technologie. Een eindgebruikstoepassing voor SiGe-chips is in autoveiligheidssystemen.

Andere toepassingen van germanium in elektronica zijn in-fase geheugenchips, die in veel flash-geheugen vervangen elektronische apparaten vanwege hun energiebesparende voordelen, evenals in substraten die worden gebruikt bij de productie van LED's.

_Bronnen:

_{USGS. Jaarboek 2010 voor 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/