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Germanium ist ein seltenes, silberfarbenes Halbleitermetall, das in der Infrarot-Technologie, Glasfaserkabeln und Solarzellen zum Einsatz kommt.
Eigenschaften
- Atomsymbol: Ge
- Atomzahl: 32
- Elementkategorie: Metalloid
- Dichte: 5,323 g / cm3
- Schmelzpunkt: 1720,85 ° F (938,25 ° C)
- Siedepunkt: 5131 ° F (2833 ° C)
- Mohs-Härte: 6,0
Eigenschaften
Technisch wird Germanium als Metalloid oder Halbmetall klassifiziert. Einer aus einer Gruppe von Elementen, die Eigenschaften von Metallen und Nichtmetallen besitzen.
In seiner metallischen Form ist Germanium silberfarben, hart und spröde.
Zu den einzigartigen Eigenschaften von Germanium gehören seine Transparenz gegenüber elektromagnetischer Strahlung im nahen Infrarot (bei Wellenlängen zwischen 1600-1800 Nanometer), sein hoher Brechungsindex und seine geringe optische Dispersion.
Das Metalloid ist auch intrinsisch halbleitend.
Geschichte
Demitri Mendelejew, der Vater des Periodensystems, prophezeite 1869 die Existenz des Elementes 32, das er Ekasilizium nannte. Siebzehn Jahre später entdeckte und isolierte der Chemiker Clemens A. Winkler das Element aus dem seltenen Mineral Argyrodit (Ag8GeS6). Er nannte das Element nach seiner Heimat Deutschland.
Während der 1920er Jahre führte die Erforschung der elektrischen Eigenschaften von Germanium zur Entwicklung von hochreinem einkristallinem Germanium. Einkristall-Germanium wurde als Gleichrichterdioden in Mikrowellen-Radarempfängern während des Zweiten Weltkriegs verwendet.
Die erste kommerzielle Anwendung für Germanium kam nach dem Krieg, nach der Erfindung von Transistoren von John Bardeen, Walter Brattain und William Shockley bei Bell Labs im Dezember 1947.
In den folgenden Jahren fanden germaniumhaltige Transistoren ihren Weg in Telefonvermittlungsanlagen, Militärcomputer, Hörgeräte und tragbare Funkgeräte.
Die Dinge begannen sich nach 1954 zu ändern, als Gordon Teal von Texas Instruments einen Siliziumtransistor erfand. Germanium-Transistoren hatten die Tendenz, 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 zu produzieren, die Germanium ersetzen konnte, aber nach 1954 begann Silizium Germanium in elektronischen Transistoren zu ersetzen, und Mitte der 1960er Jahre waren Germanium-Transistoren praktisch nicht existent.
Neue Anwendungen sollten folgen. Der Erfolg von Germanium in frühen Transistoren führte zu mehr Forschung und zur Realisierung der Infraroteigenschaften von Germanium. Letztendlich führte dies dazu, dass das Metalloid als Schlüsselkomponente von Infrarot (IR) Linsen und Fenstern verwendet wurde.
Die ersten Voyager-Weltraumforschungsmissionen, die in den 1970er Jahren auf den Markt gebracht wurden, basierten auf Strom, der von Silizium-Germanium (SiGe) -Photovoltaikzellen (PVCs) erzeugt wurde. Auf Germanium basierende PVCs sind immer noch kritisch für den Satellitenbetrieb.
Die Entwicklung und Erweiterung von Glasfasernetzen in den 1990er 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.
Produktion
Wie die meisten kleineren Metalle wird Germanium als Nebenprodukt bei der Raffination von Grundmetallen erzeugt und wird nicht als Hauptmaterial abgebaut.
Germanium wird am häufigsten aus Sphalerit-Zinkerzen hergestellt, aber es ist auch bekannt, dass es aus Flugaschenkohle (hergestellt aus Kohlekraftwerken) und einigen Kupfererzen extrahiert wird.
Unabhängig von der Materialquelle werden alle Germaniumkonzentrate zunächst mit einem Chlorierungs- und Destillationsverfahren gereinigt, das Germaniumtetrachlorid (GeCl4) erzeugt. Germaniumtetrachlorid wird dann hydrolysiert und getrocknet, wobei Germaniumdioxid (GeO & sub2;) erzeugt wird. Das Oxid wird dann mit Wasserstoff reduziert, um Germaniummetallpulver zu bilden.
Germaniumpulver wird bei Temperaturen über 938,25 ° C in Riegel gegossen.
Zonenraffination (ein Prozess des Schmelzens und Kühlens) der Stäbe isoliert und entfernt Verunreinigungen und produziert schließlich hochreine Germaniumbarren. Kommerzielles Germaniummetall ist oft mehr als 99,999% rein.
Zonenraffiniertes Germanium kann ferner zu Kristallen gezüchtet werden, die zur Verwendung in Halbleitern und optischen Linsen in dünne Stücke geschnitten werden.
Die weltweite Produktion von Germanium wurde 2011 vom US Geological Survey (USGS) auf etwa 120 Tonnen (enthaltenes Germanium) geschätzt.
Schätzungsweise 30% der weltweiten jährlichen Germaniumproduktion werden aus Schrottmaterialien wie IR-Linsen aus dem Ruhestand recycelt. Geschätzte 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 Produzenten sind Kanada, Russland, die USA und Belgien.
Bedeutende Germaniumproduzenten sind Teck Resources Ltd. , Yunnan Lincang Xinyuan Germanium Industrial Co., Umicore und Nanjing Germanium Co.
Anwendungen
Nach dem USGS können Germanium-Anwendungen in 5 Gruppen eingeteilt werden (gefolgt von einem ungefähren Prozentsatz des Gesamtverbrauchs):
- IR-Optik - 30%
- Glasfaseroptik - 20%
- Polyethylenterephthalat (PET) - 20%
- Elektronik und Solar - 15%
- Leuchtstoffe, Metallurgie und organische - 5%
Germaniumkristalle werden aufgewachsen und zu Linsen und Fenstern für IR- oder thermische Abbildungsoptiksysteme geformt. Etwa die Hälfte aller solcher Systeme, die stark von militärischer Nachfrage abhängig sind, enthalten Germanium.
Zu den Systemen gehören kleine handgehaltene und waffenmontierte Geräte sowie luft-, land- und seegestützte Fahrzeugsysteme. Es wurden Anstrengungen unternommen, um den kommerziellen Markt für auf Germanium basierende IR-Systeme, wie 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 Glasfasern zu erhöhen. Durch den Einbau von Germanium kann ein Signalverlust verhindert werden.
Formen von Germanium werden auch in Substraten verwendet, um PVC sowohl für die Weltraum- (Satelliten) als auch für die terrestrische Energieerzeugung herzustellen.
Germaniumsubstrate bilden eine Schicht in Mehrschichtsystemen, die auch Gallium, Indiumphosphid und Galliumarsenid verwenden. Solche Systeme, die als konzentrierte Photovoltaik (CPVs) bekannt sind, weil sie konzentrierende Linsen verwenden, die das Sonnenlicht vor der Umwandlung in Energie vergrößern, weisen einen hohen Wirkungsgrad auf, sind jedoch in der Herstellung teurer als kristallines Silizium oder Kupfer-Indium-Gallium. Diselenid (CIGS) -Zellen.
Rund 17 Tonnen Germaniumdioxid werden jährlich als Polymerisationskatalysator bei der Herstellung von PET-Kunststoffen eingesetzt. PET-Kunststoff wird hauptsächlich in Lebensmittel-, Getränke- und Flüssigkeitsbehältern verwendet.
Trotz seines Versagens als Transistor in den 1950er Jahren wird Germanium nun zusammen mit Silizium in Transistorkomponenten für einige Mobiltelefone und drahtlose Geräte verwendet. SiGe-Transistoren haben höhere Schaltgeschwindigkeiten und verbrauchen weniger Strom als Silizium-basierte Technologie. Eine Endanwendung für SiGe-Chips findet sich in Sicherheitssystemen für Kraftfahrzeuge.
Andere Anwendungen für Germanium in der Elektronik umfassen Phasenspeicherchips, die aufgrund ihrer energiesparenden Vorteile Flashspeicher in vielen elektronischen Geräten ersetzen, 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 Handelsverband (MMTA). Germanium
http://www.mmta.de/metals/Ge/
CK722 Museum. Jack Ward.
http://www.ck722museum.com/