Germanyum, kızılötesi teknoloji, fiber optik kablolar ve güneş pillerinde kullanılan nadir, gümüş renkli bir yarı iletken metaldir.
Özellikleri
- Atom Sembolü: Ge
- Atom Numarası: 32
- Eleman Kategorisi: Metaloid
- Yoğunluk: 5.323 g / cm3
- Erime Noktası: 938,25 ° C (1720,85 ° F)
- Kaynama Noktası: 2833 ° C
- Mohs sertliği: 6.0
Özellikleri
Teknik olarak, germanyum bir madene benzer veya yarı metaldir. Hem metallerin hem de metal olmayanların özelliklerine sahip bir grup elementten biri.
Metalik formunda, germanyum gümüş renginde, sert ve kırılgandır.
Germanyumun benzersiz özellikleri, kızılötesine yakın elektromanyetik radyasyona karşı şeffaflığını içerir (1600-1800 nanometre arasındaki dalga boylarında), yüksek kırılma indisi ve düşük optik dağılım.
Metaloid aynı zamanda özünde yarı iletkendir.
Tarih
Periyodik tablonun babası Demitri Mendeleev, adlandırdığı 32 numaralı elementin varlığını öngördü. ekasilicon, 1869'da. On yedi yıl sonra kimyacı Clemens A. Winkler, elementi nadir mineral argyroditten (Ag8GeS6) keşfetti ve izole etti. Öğeyi anavatanı Almanya'dan almıştır.
1920'ler boyunca, germanyumun elektriksel özellikleri üzerine yapılan araştırmalar, yüksek saflıkta, tek kristalli germanyumun gelişmesine yol açtı. İkinci Dünya Savaşı sırasında mikrodalga radar alıcılarında doğrultucu diyotlar olarak tek kristal germanyum kullanıldı.
Germanyum için ilk ticari uygulama, savaştan sonra, 1947 yılının Aralık ayında John Labdeen, Walter Brattain ve William Shockley'nin trans laboratuvarlarının Bell Labs'ta icat edilmesinden sonra geldi. Takip eden yıllarda, germanyum içeren transistörler telefon anahtarlama ekipmanlarına, askeri bilgisayarlara, işitme cihazlarına ve portatif radyolara girdi.
1954'ten sonra işler değişmeye başladı, ancak Texas Instruments'tan Gordon Teal, silikon transistör. Germanyum transistörlerinin yüksek sıcaklıklarda başarısız olma eğilimi vardı, bu silikonla çözülebilecek bir problemdi. Teal'a kadar, hiç kimse germanyumun yerini alacak kadar yüksek saflıkta silikon üretememişti, ancak 1954 silikonundan sonra elektronik transistörlerde germanyumun yerini almaya başladı ve 1960'ların ortalarında germanyum transistörleri neredeyse varolmayan.
Yeni uygulamalar gelecekti. Germanyumun erken transistörlerdeki başarısı, daha fazla araştırmaya ve germanyumun kızılötesi özelliklerinin gerçekleştirilmesine yol açtı. Sonuçta bu, metaloidin kızılötesi (IR) lenslerin ve pencerelerin önemli bir bileşeni olarak kullanılmasına neden oldu.
1970'lerde başlatılan ilk Voyager uzay araştırma misyonları, silikon-germanyum (SiGe) fotovoltaik hücreler (PVC'ler) tarafından üretilen güce dayanıyordu. Germanyum bazlı PVC'ler uydu işlemleri için hala kritik öneme sahiptir.
1990'lardaki gelişme ve genişleme veya fiber optik ağlar, fiber optik kabloların cam çekirdeğini oluşturmak için kullanılan germanyum talebinin artmasına neden oldu.
2000 yılına kadar, germanyum substratlara bağımlı yüksek verimli PVC'ler ve ışık yayan diyotlar (LED'ler) elementin büyük tüketicileri haline geldi.
Üretim
Çoğu küçük metal gibi, germanyum da ana metal rafinasyonunun bir yan ürünü olarak üretilir ve birincil malzeme olarak çıkarılmaz.
Germanyum en yaygın olarak sfaleritten üretilir çinko Cevherler, fakat aynı zamanda uçucu kül kömüründen (kömür santrallerinden üretilen) elde edildiği ve bazılarının bakır cevherleri.
Malzeme kaynağından bağımsız olarak, tüm germanyum konsantreleri ilk önce germanyum tetraklorür (GeCl4) üreten bir klorlama ve damıtma işlemi kullanılarak saflaştırılır. Daha sonra germanyum tetraklorür hidrolize edilir ve kurutulur, germanyum dioksit (Ge02) üretilir. Daha sonra oksit, germanyum metal tozu oluşturmak için hidrojen ile indirgenir.
Germanyum tozu, 938.25 ° C'nin üzerindeki sıcaklıklarda çubuklara dökülür.
Çubukların rafine edilmesi (eritme ve soğutma işlemi) kirleri izole eder ve uzaklaştırır ve sonuçta yüksek saflıkta germanyum çubukları üretir. Ticari germanyum metali genellikle% 99,999'dan fazla saftır.
Bölgeyle rafine edilmiş germanyum ayrıca yarı iletkenler ve optik lenslerde kullanılmak üzere ince parçalar halinde dilimlenen kristallere dönüştürülebilir.
Küresel germanyum üretiminin ABD Jeoloji Araştırması (USGS) tarafından 2011 yılında yaklaşık 120 metrik ton olduğu tahmin edilmiştir (germanyum dahil).
Dünyadaki yıllık germanyum üretiminin yaklaşık% 30'u emekli IR lensler gibi hurda malzemelerinden geri dönüştürülmektedir. IR sistemlerinde kullanılan germanyumun yaklaşık% 60'ı artık geri dönüştürülmektedir.
En büyük germanyum üreten ülkeler, 2011 yılında tüm germanyumun üçte ikisinin üretildiği Çin tarafından yönetilmektedir. Diğer büyük üreticiler arasında Kanada, Rusya, ABD ve Belçika bulunmaktadır.
Başlıca germanyum üreticileri arasında Teck Kaynakları Ltd, Yunnan Lincang Xinyuan Germanyum Industrial Co., Umicore ve Nanjing Germanyum Co.
Uygulamalar
USGS'ye göre, germanyum uygulamaları 5 gruba ayrılabilir (ardından toplam tüketimin yaklaşık yüzdesi):
- IR optikler -% 30
- Fiber Optik -% 20
- Polietilen tereftalat (PET) -% 20
- Elektronik ve güneş - 15%
- Fosfor, metalurji ve organik -% 5
Germanyum kristalleri IR veya termal görüntüleme optik sistemleri için büyütülür ve lensler ve pencerelere dönüştürülür. Büyük ölçüde askeri talebe bağlı olan bu tür sistemlerin yaklaşık yarısı germanyum içerir.
Sistemler arasında küçük elde taşınan ve silaha monte edilen cihazların yanı sıra hava, kara ve deniz tabanlı araca monteli sistemler bulunur. İleri teknoloji otomobillerde olduğu gibi germanyum tabanlı IR sistemleri için ticari pazarın büyütülmesi için çaba sarf edilmiştir, ancak askeri olmayan uygulamalar hala talebin sadece% 12'sini oluşturmaktadır.
Germanyum tetraklorür, fiber optik hatların silika cam çekirdeğindeki kırılma indisini arttırmak için bir katkı maddesi - veya katkı maddesi olarak kullanılır. Germanyum dahil edilerek sinyal kaybı önlenebilir.
Germanyum formları, hem uzay tabanlı (uydular) hem de karasal güç üretimi için PVC üretmek için substratlarda da kullanılır.
Germanyum substratları galyum, indiyum fosfit ve galyum arsenide. Güneş ışığını daha önce büyüten konsantre lensler kullanmaları nedeniyle konsantre fotovoltaikler (CPV'ler) olarak bilinen bu tür sistemler enerjiye dönüştürülür, yüksek verimlilik seviyelerine sahiptir, ancak üretimi kristalin silikon veya bakır-indiyum-galyum-diselenide göre daha maliyetlidir. (CIGS) hücreleri.
Her yıl PET plastik üretiminde polimerizasyon katalizörü olarak yaklaşık 17 metrik ton germanyum dioksit kullanılmaktadır. PET plastik esas olarak yiyecek, içecek ve sıvı kaplarında kullanılır.
1950'lerde bir transistör olarak başarısız olmasına rağmen, germanyum şimdi bazı cep telefonları ve kablosuz cihazlar için transistör bileşenlerinde silikon ile birlikte kullanılmaktadır. SiGe transistörleri daha yüksek anahtarlama hızlarına sahiptir ve silikon tabanlı teknolojiden daha az güç kullanır. SiGe çipleri için son kullanım uygulamalarından biri otomotiv güvenlik sistemlerinde.
Elektronikte germanyumun diğer kullanımları arasında, birçoklarında flash belleği değiştiren faz içi bellek yongaları bulunur. LED cihazların üretiminde kullanılan substratların yanı sıra enerji tasarrufu avantajları nedeniyle elektronik cihazlar.
Kaynaklar:
USGS. 2010 Mineraller Yıllığı: Germanyum. David E. Guberman.
http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/germanium/
Küçük Metaller Ticaret Derneği (MMTA). Germanyum
http://www.mmta.co.uk/metals/Ge/
CK722 Müzesi. Jack Ward.
http://www.ck722museum.com/