Tìm hiểu về Germanium

Germanium là một loại kim loại bán dẫn màu bạc hiếm, được sử dụng trong công nghệ hồng ngoại, cáp quang, và pin mặt trời.

Tài sản

• Ký hiệu nguyên tử: Ge
• Số nguyên tử: 32 ​​
• Thể loại: Metalloid
• Mật độ: 5. 323 g / cm3
• Điểm nóng chảy: 1720. 85 ° F (938. 25 ° C)
• Điểm sôi: 5131 ° F (2833 ° C)
• Độ cứng của Mohs: 6. 0

Đặc tính

Về mặt kỹ thuật, gecmani được phân loại là kim loại hoặc bán kim loại. Một trong những nhóm các nguyên tố có các tính chất của cả kim loại và phi kim loại.

Trong dạng kim loại của nó, gecmani có màu bạc, cứng, và giòn.

Các đặc tính độc đáo của Germanium bao gồm độ trong suốt đối với bức xạ điện từ hồng ngoại gần (ở bước sóng từ 1600-1800nm), chỉ số khúc xạ cao và độ phân tán quang học thấp.

Bản chất metalloid cũng mang tính chất bán dẫn. Lịch sử

Demitri Mendeleev, cha đẻ của bảng tuần hoàn, dự đoán sự tồn tại của nguyên tố số 32, mà ông đặt tên

ekasilicon vào năm 1869. Mười bảy năm sau nhà hoá học Clemens A. Winkler phát hiện và cô lập nguyên tố từ khoáng vật quý hiếm argyrodite (Ag8GeS6). Ông đã đặt tên cho phần tử sau quê hương ông, Đức. Trong những năm 1920, nghiên cứu về tính chất điện của germani đã dẫn đến sự phát triển của độ tinh khiết cao, một gecmani tinh thể. Gecmani tinh thể đơn được sử dụng làm điốt chỉnh lưu trong các máy thu nhận vi sóng trong Thế chiến II.

Các ứng dụng thương mại đầu tiên cho gecmani được đưa ra sau chiến tranh, sau khi phát minh ra bóng bán dẫn của John Bardeen, Walter Brattain, và William Shockley tại Bell Labs vào tháng 12 năm 1947.

Trong những năm sau , bóng bán dẫn có chứa gecman được tìm thấy theo cách của họ vào thiết bị chuyển mạch điện thoại, máy tính quân sự, máy trợ thính và radio di động.

Mọi thứ bắt đầu thay đổi sau năm 1954, khi Gordon Teal của Texas Instruments phát minh ra một bóng bán dẫn silicon. Các bóng bán dẫn Germani có khuynh hướng thất bại ở nhiệt độ cao, một vấn đề có thể được giải quyết bằng silic. Cho đến khi Teal, không ai có thể sản xuất silic với độ tinh khiết đủ cao để thay thế gecmani, nhưng sau năm 1954, silicon bắt đầu thay thế germani trong bóng bán dẫn điện tử, và vào giữa những năm 1960, bóng bán dẫn germani hầu như không tồn tại.

Các ứng dụng mới đã tới. Sự thành công của gecmani trong các bóng bán dẫn ban đầu đã dẫn tới nhiều nghiên cứu hơn và nhận ra tính chất hồng ngoại của gecmani. Cuối cùng, điều này dẫn đến việc metalloid được sử dụng như là một thành phần quan trọng của hồng ngoại (IR) ống kính và cửa sổ.

Các sứ mệnh thăm dò không gian đầu tiên của Voyager được phóng lên vào những năm 1970 dựa vào năng lượng được sản xuất bởi các tế bào quang điện silic-gecmani (SiGe) (PVCs).Các loại PVC PVC dựa trên Germani vẫn còn quan trọng đối với các hoạt động vệ tinh.

Sự phát triển và mở rộng hoặc mạng cáp quang vào những năm 90 đã dẫn đến nhu cầu tăng lên gecmani, được sử dụng để tạo thành lõi thuỷ tinh của cáp quang.

Đến năm 2000, PVCs hiệu suất cao và điốt phát sáng (LEDs) phụ thuộc vào chất nền gecmani đã trở thành người tiêu dùng lớn của nguyên tố.

Sản xuất

Giống như hầu hết các kim loại nhỏ, gecmani được sản xuất như một sản phẩm phụ của tinh luyện kim loại cơ bản và không được khai thác làm nguyên liệu chính.

Germanium thường được sản xuất từ ​​quặng kẽm sphalerite nhưng cũng được biết là được chiết xuất từ ​​tro than bay (sản xuất từ ​​các nhà máy điện than) và một số quặng đồng.

Bất kể nguồn nguyên liệu, tất cả các tinh dầu gecmani đầu tiên được tinh chế bằng cách sử dụng quá trình clo và chưng cất tạo ra germani tetrachloride (GeCl4). Germanium tetrachlorua sau đó được thủy phân và làm khô, tạo ra germaniđôxit (GeO2). Các oxit sau đó được giảm với hydro để tạo thành bột kim loại gecmani.

bột Germanium được đưa vào các thanh ở nhiệt độ trên 1720. 85 ° F (938. 25 ° C).

Vùng lọc (một quá trình tan chảy và làm lạnh) các thanh cô lập và loại bỏ các tạp chất, và cuối cùng, sản xuất germanium độ tinh khiết cao thanh. Thương mại germanium kim loại thường là hơn 99. 999% tinh khiết.

Gecmani tinh chế vùng có thể tiếp tục được trồng thành tinh thể, được cắt thành các miếng mỏng để sử dụng trong chất bán dẫn và ống kính quang học.

Sản lượng germanium toàn cầu ước tính của USGS là khoảng 120 tấn trong năm 2011 (chứa gecmani).

Khoảng 30% sản lượng gecmani hàng năm của thế giới được tái chế từ các vật liệu phế liệu, chẳng hạn như ống kính IR đã nghỉ hưu. Ước tính 60% gecmani được sử dụng trong các hệ thống IR đang được tái chế.

Các quốc gia sản xuất gecmani lớn nhất do Trung Quốc dẫn đầu, nơi 2/3 tổng lượng gecmani được sản xuất trong năm 2011. Các nhà sản xuất lớn khác bao gồm Canada, Nga, Mỹ, và Bỉ.

Các ứng dụng

Theo USGS, các ứng dụng gecmani có thể được phân thành 5 nhóm (theo sau là một nhóm các nhà sản xuất gecmani) tỷ lệ phần trăm tổng tiêu thụ):

Nhiệt học IR - 30%

Quang học - 20%

Polyethylene terephthalate (PET) - 20%

Điện tử và năng lượng mặt trời - 15%

1. Phốt pho, luyện kim và hữu cơ - 5%
2. Tinh thể Germani được phát triển và hình thành thành thấu kính và cửa sổ cho các hệ thống quang học IR hoặc nhiệt hình ảnh. Khoảng một nửa trong số tất cả các hệ thống như vậy, phụ thuộc rất nhiều vào nhu cầu quân sự, bao gồm gecmani.
3. Hệ thống bao gồm các thiết bị cầm tay và vũ khí nhỏ, cũng như các hệ thống gắn trên không, không khí, đất và trên biển. Các nỗ lực đã được thực hiện để phát triển thị trường thương mại cho các hệ thống IR dựa trên germany, chẳng hạn như trong xe ô tô cao cấp, nhưng các ứng dụng phi quân sự vẫn chỉ chiếm khoảng 12% nhu cầu.
4. Germanium tetrachloride được sử dụng làm chất phụ gia hoặc phụ gia - để tăng chỉ số khúc xạ trong lõi thủy tinh silica của các sợi quang. Bằng cách kết hợp germany, việc ngăn chặn tín hiệu được ngăn ngừa có thể ngăn ngừa.
5. Các dạng gecmani cũng được sử dụng trong các chất nền để sản xuất PVCs cho cả mặt trời (không gian) và năng lượng mặt đất.

Chất nền Germanium tạo thành một lớp trong các hệ thống nhiều lớp mà cũng sử dụng gallium, indium phosphide và gallium arsenide. Các hệ thống như vậy, được biết đến như là các photovoltaics tập trung (CPVs) tập trung do việc sử dụng các ống kính tập trung làm phóng to ánh sáng mặt trời trước khi nó được biến đổi thành năng lượng, có mức hiệu quả cao nhưng tốn kém hơn so với silicon tinh thể hoặc đồng-indi-gallium- diselenide (CIGS) tế bào.

Khoảng 17 tấn gecmani dioxit được sử dụng làm chất xúc tác trùng hợp trong sản xuất nhựa PET mỗi năm. Nhựa PET chủ yếu được sử dụng trong thực phẩm, nước giải khát, và hộp chứa chất lỏng.

Mặc dù sự thất bại của nó như là một bóng bán dẫn vào những năm 1950, nhưng gecmani hiện nay được sử dụng song song với silicon trong các bộ phận bán dẫn cho một số điện thoại di động và các thiết bị không dây. Các bóng bán dẫn SiGe có tốc độ chuyển mạch lớn hơn và sử dụng ít năng lượng hơn công nghệ dựa trên silic. Một ứng dụng cuối cùng cho các chip SiGe là trong các hệ thống an toàn ô tô.

Các ứng dụng khác cho gecmani trong thiết bị điện tử bao gồm trong chip nhớ pha, thay thế bộ nhớ flash trong nhiều thiết bị điện tử do lợi ích tiết kiệm năng lượng cũng như chất nền được sử dụng trong sản xuất đèn LED.

Nguồn:

USGS. 2010 Niên giám Khoáng sản: Germanium. David E. Guberman.

// khoáng chất. usgs. gov / mineral / pubs / commodity / germanium /

Hiệp hội Thương mại kim loại nhỏ (MMTA). Germanium

_{// www. mmta. co. uk / metals / Ge /}

_{Bảo tàng CK722. Jack Ward.}
// www. ck722museum. com /