Özellikler, Tarih, Üretim ve Uygulamalar Hakkında Bilgi Alın
Germanyum, kızıl ötesi teknolojide, fiber optik kablolarda ve güneş hücrelerinde kullanılan nadir, gümüş renkli bir yarı iletken metaldir.
Özellikleri
- Atomik Sembol: Ge
- Atom Numarası: 32
- Eleman kategorisi: Metalloid
- Yoğunluk: 5.323 g / cm3
- Erime Noktası: 1720.85 ° F (938.25 ° C)
- Kaynama Noktası: 5131 ° F (2833 ° C)
- Mohs sertliği: 6.0
Özellikleri
Teknik olarak germanyum bir metaloid veya yarı metal olarak sınıflandırılır. Hem metallerin hem de metal olmayanların özelliklerine sahip olan bir grup elemandan biri.
Metalik formunda germanyum gümüş renginde, sert ve kırılgandır.
Germanyum'un eşsiz özellikleri arasında, yakın kızılötesi elektromanyetik radyasyona (1600-1800 nanometre arasındaki dalga boylarında), yüksek refraktif indeksine ve düşük optik dispersiyonuna saydamlığı sayılabilir.
Metaloid ayrıca içsel olarak yarı iletkentir.
Tarihçe
Periyodik tablonun babası olan Demitri Mendeleev, 1869 yılında ekasilikon adını verdiği 32 numaralı elementin varlığını öngördü. On yedi yıl sonra kimyager Clemens A. Winkler, elementi nadir mineral arjroditten (Ag8GeS6) buldu ve izole etti. Anavatanından sonra Almanya'yı seçti.
1920'ler boyunca, germanyumun elektriksel özellikleri ile ilgili araştırmalar, yüksek saflıkta, tek kristalli germanyumun gelişmesiyle sonuçlandı. Tek kristalli germanyum, II. Dünya Savaşı sırasında mikrodalga radar alıcılarında rektifiye diyotları olarak kullanılmıştır.
1943 Aralık'ında Bell Labs'da John Bardeen, Walter Brattain ve William Shockley tarafından yapılan transistörlerin icadı sonrasında, germanyum için ilk ticari uygulama savaştan sonra geldi.
Takip eden yıllarda, germanyum içeren transistörler, telefon anahtarlama ekipmanı, askeri bilgisayarlar, işitme cihazları ve portatif radyolara girdi.
1954'ten sonra işler değişmeye başladı, ancak Texas Instruments'dan Gordon Teal bir silikon transistörü icat ettiğinde. Germanyum transistörler yüksek sıcaklıklarda başarısız olma eğilimindeydi, bu da silikonla çözülebilecek bir problemdi.
Teal'e kadar hiç kimse, germanyumu değiştirmek için yeterince yüksek bir saflıkta silikon üretememişti, ancak 1954 silikonunun germanyum yerine elektronik transistörler olarak yer değiştirmesiyle başladı ve 1960'ların ortalarında germanyum transistörleri neredeyse hiç yoktu.
Yeni uygulamalar geliyordu. Erken transistörlerde germanyumun başarısı, daha fazla araştırmaya ve germanyumun kızılötesi özelliklerinin gerçekleştirilmesine yol açtı. Sonuç olarak, bu, kızılötesi (IR) lenslerin ve pencerelerin önemli bir bileşeni olarak kullanılan metaloza neden oldu.
1970'lerde başlatılan ilk Voyager uzay araştırma misyonları, silikon-germanyum (SiGe) fotovoltaik hücrelerinin (PVC) ürettiği güce dayanıyordu. Germanyum bazlı PVC'ler uydu operasyonları için hala kritik öneme sahiptir.
1990'lardaki gelişme ve genişleme veya fiber optik ağlar, fiber optik kabloların cam özünü oluşturmak için kullanılan germanyum talebine neden oldu.
2000 yılına kadar, germanyum substratlara bağlı yüksek verimli PVC'ler ve ışık yayan diyotlar (LED'ler) elemanın büyük tüketicileri haline gelmişti.
Üretim
Çoğu küçük metal gibi, germanyum da baz metal arıtımının bir yan ürünü olarak üretilir ve birincil malzeme olarak çıkarılmaz.
Germanyum en çok sfalerit çinko cevherlerinden üretilir, fakat aynı zamanda uçucu kül kömürü (kömür santrallerinden üretilir) ve bazı bakır cevherlerinden de çıkarıldığı bilinmektedir.
Malzemenin kaynağına bakılmaksızın, tüm germanyum konsantreleri ilk önce germanyum tetraklorür (GeCl4) üreten bir klorinasyon ve damıtma işlemi kullanılarak saflaştırılır. Ardından germanyum tetraklorür hidrolize edilir ve kurutulur, germanyum dioksit (GeO2) üretilir. Daha sonra oksit, germanyum metal tozu oluşturmak için hidrojen ile indirgenir.
Germanyum tozu 1720.85 ° F (938.25 ° C) üzerindeki sıcaklıklarda çubuklara dökülür.
Zonların rafine edilmesi (bir eritme ve soğutma işlemi) çubukları kirleri izole eder ve çıkarır ve sonuç olarak yüksek saflıkta germanyum çubukları üretir. Ticari germanyum metali genellikle% 99.999'dan daha saftır.
Zon rafine edilmiş germanyum ayrıca yarı iletkenler ve optik merceklerde kullanılmak üzere ince parçalar halinde dilimlenen kristaller halinde büyütülebilir.
Küresel germanyum üretimi ABD Jeoloji Araştırması (USGS) tarafından 2011 yılında yaklaşık 120 metrik ton olarak tahmin edildi (germanyum dahil).
Dünyadaki yıllık germanyum üretiminin tahmini% 30'u, emekli IR lensler gibi hurda malzemelerden geri dönüştürülmektedir. IR sistemlerinde kullanılan germanyumun tahmini% 60'ı artık geri dönüştürülmüştür.
En büyük germanyum üreten ülkeler, 2011 yılında tüm germanyumun üçte ikisinin üretildiği Çin tarafından yönetiliyor. Diğer önemli üreticiler arasında Kanada, Rusya, ABD ve Belçika bulunuyor.
Başlıca germanyum üreticileri arasında Teck Resources Ltd. , Yunnan Lincang Xinyuan Germanyum Industrial Co., Umicore ve Nanjing Germanyum Co.
Uygulamalar
USGS'ye göre, germanyum uygulamaları 5 gruba ayrılabilir (bunu toplam tüketimin yaklaşık bir yüzdesi izler):
- IR optikler -% 30
- Fiber Optik -% 20
- Polietilen tereftalat (PET) -% 20
- Elektronik ve güneş -% 15
- Fosforlar, metalurji ve organik - 5%
Germanyum kristalleri büyütüldü ve IR veya termal görüntüleme optik sistemleri için lensler ve pencere haline getirildi. Askeri talebe büyük ölçüde bağımlı olan bu tür sistemlerin yaklaşık yarısı germanyum içerir.
Sistemler, küçük el ve silah monte cihazların yanı sıra hava, kara ve deniz tabanlı araç monte sistemleri içerir. Üst düzey otomobillerde olduğu gibi germanyum tabanlı IR sistemleri için ticari pazarın büyütülmesi için çaba sarf edildi, ancak askeri olmayan uygulamalar hala talebin sadece% 12'sini oluşturuyor.
Germanyum tetraklorür, fiber optik hatların silika cam çekirdeğindeki kırılma indeksini arttırmak için bir katkı maddesi veya katkı maddesi olarak kullanılır. Germanyum katılarak, sinyal kaybı önlenir.
Germanyum formları, hem uzay bazlı (uydular) hem de karasal enerji üretimi için PVC üretmek amacıyla substratlarda da kullanılır.
Germanyum substratlar, galyum, indiyum fosfid ve galyum arsenit de kullanan çok katmanlı sistemlerde bir katman oluştururlar. Güneş ışığını enerjiye çevrilmeden önce büyüten yoğunlaştırıcı merceklerin kullanılmasından dolayı konsantre fotovoltaikler (CPV'ler) olarak bilinen bu sistemler, yüksek verimlilik seviyelerine sahiptirler, fakat kristalli silikon veya bakır-indiyum-galyum- dan daha yüksek maliyetlidirler. diselenide (CIGS) hücreleri.
Her yıl, PET plastiklerin üretiminde, 17 metrik ton germanyum dioksit, polimerizasyon katalizörü olarak kullanılmaktadır. PET plastik öncelikle gıda, içecek ve sıvı kaplarda kullanılır.
1950'lerde bir transistör olarak başarısız olmasına rağmen, germanyum artık bazı cep telefonları ve kablosuz cihazlar için transistör bileşenlerinde silikon ile birlikte kullanılmaktadır. SiGe transistörler daha yüksek anahtarlama hızlarına sahiptir ve silikon bazlı teknolojiden daha az güç kullanır. SiGe yongaları için bir son kullanım uygulaması otomotiv güvenlik sistemlerinde.
Elektronikteki germanyum için diğer kullanımlar, enerji tasarrufu avantajları ve LED'lerin üretiminde kullanılan alt tabakalar nedeniyle flash belleğin bir çok elektronik cihazda değiştirilmesi olan faz bellek yongalarını içerir.
Kaynaklar:
USGS. 2010 Mineraller Yıllığı: Germanyum. David E. Guberman.
http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/germanium/
Minor Metaller Ticaret Birliği (MMTA). Germanyum
http://www.mmta.co.uk/metals/Ge/
CK722 Müzesi. Jack Ward.
http://www.ck722museum.com/