Ottieni informazioni su Proprietà, Cronologia, Produzione e Applicazioni
Il germanio è un metallo semiconduttore raro color argento che viene utilizzato nella tecnologia a infrarossi, nei cavi a fibre ottiche e nelle celle solari.
Proprietà
- Simbolo atomico: Ge
- Numero atomico: 32
- Elemento Categoria: Metalloid
- Densità: 5,323 g / cm3
- Punto di fusione: 1720.85 ° F (938.25 ° C)
- Punto di ebollizione: 5131 ° F (2833 ° C)
- Durezza Mohs: 6.0
caratteristiche
Tecnicamente, il germanio è classificato come metalloide o semi-metallo. Uno di un gruppo di elementi che possiedono proprietà di entrambi i metalli e non metalli.
Nella sua forma metallica, il germanio è di colore argento, duro e fragile.
Le caratteristiche uniche del germanio includono la sua trasparenza alla radiazione elettromagnetica del vicino infrarosso (a lunghezze d'onda comprese tra 1600-1800 nanometri), il suo alto indice di rifrazione e la sua bassa dispersione ottica.
Il metalloide è anche intrinsecamente semiconduttivo.
Storia
Demitri Mendeleev, il padre della tavola periodica, predisse l'esistenza dell'elemento numero 32, che chiamò ekasilicon , nel 1869. Diciassette anni dopo il chimico Clemens A. Winkler scoprì e isolò l'elemento dal raro argirodito minerale (Ag8GeS6). Ha chiamato l'elemento dopo la sua patria, la Germania.
Durante gli anni '20, la ricerca sulle proprietà elettriche del germanio ha portato allo sviluppo di germanio monocristallino ad elevata purezza. Il germanio monocristallo è stato utilizzato come diodi raddrizzatori nei ricevitori radar a microonde durante la seconda guerra mondiale.
La prima applicazione commerciale per il germanio venne dopo la guerra, in seguito all'invenzione dei transistor di John Bardeen, Walter Brattain e William Shockley ai Bell Labs nel dicembre del 1947.
Negli anni seguenti, i transistor contenenti germanio trovarono la loro strada nelle apparecchiature di commutazione telefonica, computer militari, apparecchi acustici e radio portatili.
Le cose cominciarono a cambiare dopo il 1954, tuttavia, quando Gordon Teal di Texas Instruments inventò un transistor al silicio . I transistor al germanio avevano la tendenza a fallire a temperature elevate, un problema che poteva essere risolto con il silicio.
Fino a Teal, nessuno era stato in grado di produrre silicio con un'alta purezza sufficiente a sostituire il germanio, ma dopo il 1954 il silicio ha iniziato a sostituire il germanio nei transistor elettronici, e verso la metà degli anni '60 i transistor al germanio erano praticamente inesistenti.
Nuove applicazioni dovevano venire. Il successo del germanio nei primi transistor ha portato a ulteriori ricerche e alla realizzazione delle proprietà dell'infrarosso del germanio. In definitiva, questo ha comportato l'utilizzo del metalloide come componente chiave degli obiettivi e delle finestre a infrarossi (IR).
Le prime missioni di esplorazione spaziale della Voyager lanciate negli anni '70 si basavano sull'energia prodotta dalle celle fotovoltaiche silicio-germanio (SiGe) (PVC). I PVC a base di germanio sono ancora fondamentali per le operazioni via satellite.
Lo sviluppo e l'espansione o le reti in fibra ottica negli anni '90 hanno portato a un aumento della domanda di germanio, che viene utilizzato per formare l'anima in vetro dei cavi in fibra ottica.
Entro il 2000, i PVC ad alta efficienza e i diodi a emissione di luce (LED) dipendenti dai substrati di germanio erano diventati grandi consumatori dell'elemento.
Produzione
Come la maggior parte dei metalli minori, il germanio è prodotto come sottoprodotto della raffinazione del metallo di base e non è estratto come materiale primario.
Il germanio è più comunemente prodotto da minerali di zinco sfalerite, ma è anche noto per essere estratto da carbone di cenere volatile (prodotto da centrali elettriche a carbone) e alcuni minerali di rame .
Indipendentemente dalla fonte del materiale, tutti i concentrati di germanio vengono prima purificati utilizzando un processo di clorurazione e distillazione che produce tetracloruro di germanio (GeCl4). Il tetracloruro di germanio viene quindi idrolizzato ed essiccato, producendo biossido di germanio (GeO2). L'ossido viene quindi ridotto con idrogeno per formare polvere di metallo di germanio.
La polvere di germanio viene colata in barre a temperature superiori a 1720,85 ° F (938,25 ° C).
Raffinazione delle zone (processo di fusione e raffreddamento) le barre isolano e rimuovono le impurità e, alla fine, producono barre di germanio di elevata purezza. Il metallo di germanio commerciale è spesso più puro del 99,999%.
Il germanio raffinato alla zona può inoltre essere trasformato in cristalli, che vengono tagliati in pezzi sottili per l'uso in semiconduttori e lenti ottiche.
La produzione mondiale di germanio è stata stimata dal US Geological Survey (USGS) nel 2011 per circa 120 tonnellate (contenuto di germanio).
Circa il 30% della produzione annuale di germanio del mondo viene riciclato da materiali di scarto, come lenti IR ritirate. Si stima che il 60% del germanio utilizzato nei sistemi a infrarossi sia ora riciclato.
Le maggiori nazioni produttrici di germanio sono guidate dalla Cina, dove due terzi di tutto il germanio è stato prodotto nel 2011. Altri importanti produttori includono Canada, Russia, Stati Uniti e Belgio.
I principali produttori di germanio includono Teck Resources Ltd. , Yunnan Lincang Xinyuan German Industrial Co., Umicore e Nanjing Germanio Co.
applicazioni
Secondo l'USGS, le applicazioni del germanio possono essere classificate in 5 gruppi (seguiti da una percentuale approssimativa del consumo totale):
- Ottica IR - 30%
- Fibra ottica - 20%
- Polietilene tereftalato (PET) - 20%
- Elettronica e solare - 15%
- Fosfori, metallurgia e organici - 5%
Cristalli di germanio sono cresciuti e formati in lenti e finestre per sistemi ottici IR o termici. Circa la metà di tutti questi sistemi, che sono fortemente dipendenti dalla domanda militare, include il germanio.
I sistemi includono piccoli dispositivi portatili e montati su armi, nonché sistemi montati su veicoli aerei, terrestri e marittimi. Sono stati fatti sforzi per far crescere il mercato commerciale dei sistemi IR basati sul germanio, come nelle automobili di fascia alta, ma le applicazioni non militari rappresentano ancora solo il 12% circa della domanda.
Il tetracloruro di germanio è usato come drogante - o additivo - per aumentare l'indice di rifrazione nel nucleo di vetro di silice delle linee in fibra ottica. Incorporando il germanio, è possibile prevenire la perdita di segnale.
Forme di germanio sono anche utilizzate nei substrati per produrre PVC sia per la generazione di energia spaziale (satelliti) che terrestre.
I substrati di germanio formano uno strato in sistemi multistrato che utilizzano anche gallio, fosfuro di indio e arseniuro di gallio. Tali sistemi, noti come fotovoltaici concentrati (CPV) a causa del loro uso di lenti a concentrazione che ingrandiscono la luce solare prima di essere convertiti in energia, hanno livelli di efficienza elevati ma sono più costosi da produrre rispetto al silicio cristallino o rame-indio-gallio- cellule diselenide (CIGS).
Circa 17 tonnellate metriche di biossido di germanio vengono utilizzate ogni anno come catalizzatore di polimerizzazione nella produzione di plastica PET. La plastica PET viene utilizzata principalmente in contenitori per alimenti, bevande e liquidi.
Nonostante il suo fallimento come transistor negli anni '50, il germanio è ora utilizzato in tandem con il silicio nei componenti dei transistor per alcuni telefoni cellulari e dispositivi wireless. I transistor SiGe hanno velocità di commutazione maggiori e utilizzano meno energia rispetto alla tecnologia a base di silicio. Un'applicazione per uso finale dei chip SiGe è nei sistemi di sicurezza automobilistici.
Altri usi del germanio nell'elettronica includono i chip di memoria di fase, che stanno sostituendo la memoria flash in molti dispositivi elettronici a causa dei loro benefici di risparmio energetico, nonché nei substrati utilizzati nella produzione di LED.
fonti:
USGS. Annuario dei 2010 Minerali: germanio. David E. Guberman.
http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/germanium/
Associazione Minori dei Metalli (MMTA). Germanio
http://www.mmta.co.uk/metals/Ge/
Museo CK722. Jack Ward.
http://www.ck722museum.com/