Germanium Eigenschaften, Geschichte und Anwendungen

Germanium ist ein seltenes, silberfarbenes Halbleitermetall, das in der Infrarottechnologie, in Glasfaserkabeln und in Solarzellen verwendet wird.

• Atomsymbol: Ge
• Ordnungszahl: 32
• Elementkategorie: Metalloid
• Dichte: 5,323 g / cm³
• Schmelzpunkt: 1738,85 ° F (938,25 ° C)
• Siedepunkt: 2833 ° C (5131 ° F)
• Mohs-Härte: 6,0

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

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

Zu den einzigartigen Eigenschaften von Germanium gehört die Transparenz gegenüber elektromagnetischer Strahlung im nahen Infrarot (bei Wellenlängen zwischen 1600 und 1800 Nanometern), sein hoher Brechungsindex und sein niedriger optischer Wert Dispersion.

Das Metalloid ist auch intrinsisch halbleitend.

Demitri Mendeleev, der Vater des Periodensystems, sagte die Existenz des von ihm genannten Elements Nummer 32 voraus

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 Gleichrichterdiode in Mikrowellenradarempfängern verwendet.

Die erste kommerzielle Anwendung für Germanium erfolgte nach dem Krieg, nachdem John Bardeen, Walter Brattain und William Shockley im Dezember 1947 in den Bell Labs Transistoren erfunden hatten. In den folgenden Jahren fanden germaniumhaltige Transistoren Eingang in Telefonvermittlungsgeräte, Militärcomputer, Hörgeräte und tragbare Radios.

Die Dinge begannen sich jedoch nach 1954 zu ändern, als Gordon Teal von Texas Instruments a erfand Silizium Transistor. Germaniumtransistoren neigten dazu, bei hohen Temperaturen zu versagen, ein Problem, das mit Silizium gelöst werden konnte. Bis Teal war niemand in der Lage gewesen, Silizium mit einer Reinheit herzustellen, die hoch genug war, um Germanium zu ersetzen, aber nach 1954 Silizium begann Germanium in elektronischen Transistoren zu ersetzen, und Mitte der 1960er Jahre waren Germaniumtransistoren praktisch nicht existent.

Neue Anwendungen sollten kommen. Der Erfolg von Germanium in frühen Transistoren führte zu mehr Forschung und der Realisierung der Infraroteigenschaften von Germanium. Dies führte letztendlich dazu, dass das Metalloid als Schlüsselkomponente für Infrarotlinsen und -fenster verwendet wurde.

Die ersten Voyager-Weltraumerkundungsmissionen, die in den 1970er Jahren gestartet wurden, stützten sich auf die Energie von Silizium-Germanium (SiGe) -Photovoltaikzellen (PVCs). PVCs auf Germaniumbasis sind für den Satellitenbetrieb nach wie vor von entscheidender Bedeutung.

Die Entwicklung und Erweiterung von Glasfasernetzen in den neunziger Jahren führte 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.

Wie die meisten Nebenmetalle entsteht Germanium als Nebenprodukt der Grundmetallveredelung und wird nicht als Primärmaterial abgebaut.

Germanium wird am häufigsten aus Sphalerit hergestellt Zink Es ist jedoch auch bekannt, dass Erze aus Flugaschekohle (aus Kohlekraftwerken gewonnen) und einigen gewonnen werden Kupfer Erze.

Unabhängig von der Materialquelle werden alle Germaniumkonzentrate zunächst mit einem Chlorierungs- und Destillationsverfahren gereinigt, bei dem Germaniumtetrachlorid (GeCl4) entsteht. Germaniumtetrachlorid wird dann hydrolysiert und getrocknet, wobei Germaniumdioxid (GeO2) erzeugt wird. Das Oxid wird dann mit Wasserstoff reduziert, um Germaniummetallpulver zu bilden.

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

Durch Zonenverfeinerung (ein Prozess des Schmelzens und Abkühlens) isolieren und entfernen die Stäbe Verunreinigungen und produzieren letztendlich hochreine Germaniumriegel. Kommerzielles Germaniummetall ist oft zu mehr als 99,999% rein.

Zonenveredeltes Germanium kann ferner zu Kristallen gezüchtet werden, die zur Verwendung in Halbleitern und optischen Linsen in dünne Stücke geschnitten werden.

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

Schätzungsweise 30% der weltweiten jährlichen Germaniumproduktion werden aus Abfallmaterialien wie IR-Linsen im Ruhestand recycelt. Schätzungsweise 60% des in IR-Systemen verwendeten Germaniums werden jetzt recycelt.

Die größten Germanium produzierenden Nationen werden von China angeführt, wo 2011 zwei Drittel des gesamten Germaniums produziert wurden. Weitere wichtige Hersteller 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.

Laut USGS können Germaniumanwendungen in 5 Gruppen eingeteilt werden (gefolgt von einem ungefähren Prozentsatz des Gesamtverbrauchs):

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

Germaniumkristalle werden gezüchtet und zu Linsen und Fenstern für optische IR- oder Wärmebildsysteme geformt. Etwa die Hälfte aller dieser Systeme, die stark von der militärischen Nachfrage abhängig sind, enthält Germanium.

Zu den Systemen gehören kleine Hand- und Waffengeräte sowie Luft-, Land- und Seefahrzeugsysteme. Es wurden Anstrengungen unternommen, um den kommerziellen Markt für IR-Systeme auf Germaniumbasis, 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 den Einbau von Germanium wird ein Signalverlust verhindert, der verhindert werden kann.

Germaniumformen werden auch in Substraten verwendet, um PVCs sowohl für die weltraumgestützte (Satelliten) als auch für die terrestrische Stromerzeugung herzustellen.

Germaniumsubstrate bilden eine Schicht in Mehrschichtsystemen, die auch Gallium, Indiumphosphid und verwenden Gallium Arsenid. Solche Systeme, die als konzentrierte Photovoltaik (CPVs) bekannt sind, verwenden Konzentratlinsen, die das Sonnenlicht vergrößern, bevor es ist in Energie umgewandelt, hocheffizient, aber teurer in der Herstellung als kristallines Silizium oder Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CIGS) -Zellen.

Bei der Herstellung von PET-Kunststoffen werden jährlich rund 17 Tonnen Germaniumdioxid als Polymerisationskatalysator eingesetzt. PET-Kunststoff wird hauptsächlich in Lebensmittel-, Getränke- und Flüssigkeitsbehältern verwendet.

Trotz seines Versagens als Transistor in den 1950er Jahren wird Germanium heute zusammen mit Silizium in Transistorkomponenten für einige Mobiltelefone und drahtlose Geräte verwendet. SiGe-Transistoren haben höhere Schaltgeschwindigkeiten und verbrauchen weniger Strom als die Siliziumtechnologie. Eine Endanwendung für SiGe-Chips sind Sicherheitssysteme für Kraftfahrzeuge.

Andere Anwendungen für Germanium in der Elektronik umfassen In-Phase-Speicherchips, die in vielen Fällen den Flash-Speicher ersetzen elektronische Geräte aufgrund ihrer energiesparenden Vorteile sowie in Substraten, die bei der Herstellung von LEDs verwendet werden.

_Quellen:

_{USGS. 2010 Minerals Yearbook: 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/