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Germanium Eigenschaften, Geschichte und Anwendungen

Germanium ist ein seltenes, silberfarbenes Halbleitermetall, das in der Infrarottechnologie, in Glasfaserkabeln und in Solarzellen verwendet wird.

 

Eigenschaften

  • Atomsymbol: Ge
  • Ordnungszahl: 32
  • Elementkategorie: Metalloid
  • Dichte: 5,323 g / cm³
  • Schmelzpunkt: 1738,85 ° F (938,25 ° C)
  • Siedepunkt: 2833 ° C (5131 ° F)
  • Mohs-Härte: 6,0

 

Eigenschaften

Technisch gesehen wird Germanium als Metalloid  oder Halbmetall klassifiziert  . Eines aus einer Gruppe von Elementen, die Eigenschaften sowohl von Metallen als auch von Nichtmetallen besitzen.

Germanium ist in seiner metallischen Form silberfarben, hart und spröde.

Zu den einzigartigen Eigenschaften von Germanium zählen die Transparenz gegenüber elektromagnetischer Strahlung im nahen Infrarot (bei Wellenlängen zwischen 1600 und 1800 Nanometern), der hohe Brechungsindex und die geringe optische Dispersion.

Das Metalloid ist auch intrinsisch halbleitend.

 

Geschichte

Demitri Mendeleev, der Vater des Periodensystems, sagte 1869 die Existenz des Elements Nummer 32 voraus, das er ekasilicon nannte  . Siebzehn Jahre später entdeckte und isolierte der Chemiker Clemens A. Winkler das Element aus dem seltenen Mineral Argyrodit (Ag8GeS6). Er benannte das Element nach seiner Heimat Deutschland.

In den 1920er Jahren führte die Erforschung der elektrischen Eigenschaften von Germanium zur Entwicklung von hochreinem einkristallinem Germanium. Einkristallines Germanium wurde während des Zweiten Weltkriegs als Gleichrichterdiode in Mikrowellenradarempfängern verwendet.

Die erste kommerzielle Anwendung für Germanium erfolgte nach dem Krieg, nachdem John Bardeen, Walter Brattain und William Shockley im Dezember 1947 in den Bell Labs Transistoren erfunden hatten. In den folgenden Jahren fanden germaniumhaltige Transistoren Eingang in Telefonvermittlungsgeräte , Militärcomputer, Hörgeräte und tragbare Radios.

Die Dinge begannen sich jedoch nach 1954 zu ändern, als Gordon Teal von Texas Instruments einen Siliziumtransistor erfand   . Germaniumtransistoren neigten dazu, 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 herzustellen, die hoch genug war, um Germanium zu ersetzen, aber nach 1954 begann Silizium, Germanium in elektronischen Transistoren zu ersetzen, und Mitte der 1960er Jahre gab es praktisch keine Germaniumtransistoren mehr.

Neue Anwendungen sollten kommen. Der Erfolg von Germanium in frühen Transistoren führte zu mehr Forschung und der Realisierung der Infraroteigenschaften von Germanium. Dies führte letztendlich dazu, dass das Metalloid als Schlüsselkomponente für Infrarotlinsen und -fenster verwendet wurde.

Die ersten Voyager-Weltraumerkundungsmissionen, die in den 1970er Jahren gestartet wurden, stützten sich auf Strom, der von Silizium-Germanium (SiGe) -Photovoltaikzellen (PVCs) erzeugt wurde. PVCs auf Germaniumbasis sind für den Satellitenbetrieb nach wie vor von entscheidender Bedeutung.

Die Entwicklung und Erweiterung von Glasfasernetzen in den neunziger 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 Nebenmetalle fällt Germanium als Nebenprodukt der Grundmetallveredelung an und wird nicht als Primärmaterial abgebaut.

Germanium wird am häufigsten von Sphalerit produziert  Zink  Erzen , sondern auch aus Flugasche Kohle (hergestellt aus Kohlekraftwerken) und einige extrahiert werden bekannte   Kupfererzen.

Unabhängig von der Materialquelle werden alle Germaniumkonzentrate zunächst mit einem Chlorierungs- und Destillationsverfahren gereinigt, bei dem Germaniumtetrachlorid (GeCl4) entsteht. Germaniumtetrachlorid wird dann hydrolysiert und getrocknet, wobei Germaniumdioxid (GeO2) erzeugt wird. Das Oxid wird dann mit Wasserstoff reduziert, um Germaniummetallpulver zu bilden.

Germaniumpulver wird bei Temperaturen über 938,25 ° C in Riegel gegossen.

Durch Zonenverfeinerung (ein Prozess des Schmelzens und Abkühlens) isolieren und entfernen die Stäbe Verunreinigungen und produzieren letztendlich hochreine Germaniumriegel. Kommerzielles Germaniummetall ist oft zu mehr als 99,999% rein.

Zonenveredeltes Germanium kann ferner zu Kristallen gezüchtet werden, die zur Verwendung in Halbleitern und optischen Linsen in dünne Stücke geschnitten werden.

Die weltweite Germaniumproduktion wurde vom US Geological Survey (USGS) im Jahr 2011 auf rund 120 Tonnen (enthaltenes Germanium) geschätzt.

Schätzungsweise 30% der weltweiten jährlichen Germaniumproduktion werden aus Abfallmaterialien wie IR-Linsen im Ruhestand recycelt. Schätzungsweise 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.

Zu den wichtigsten Germaniumproduzenten zählen  Teck Resources Ltd.. Yunnan Lincang Xinyuan Germanium Industrial Co., Umicore und Nanjing Germanium Co.

 

Anwendungen

Laut USGS können Germaniumanwendungen in 5 Gruppen eingeteilt werden (gefolgt von einem ungefähren Prozentsatz des Gesamtverbrauchs):

  1. IR-Optik – 30%
  2. Faseroptik – 20%
  3. Polyethylenterephthalat (PET) – 20%
  4. Elektronisch und Solar – 15%
  5. Leuchtstoffe, Metallurgie und organische – 5%

Germaniumkristalle werden gezüchtet und zu Linsen und Fenstern für optische IR- oder Wärmebildsysteme geformt. Etwa die Hälfte aller dieser Systeme, die stark von der militärischen Nachfrage abhängig sind, enthalten Germanium.

Zu den Systemen gehören kleine Hand- und Waffengeräte sowie Luft-, Land- und Seefahrzeugsysteme. Es wurden Anstrengungen unternommen, um den kommerziellen Markt für IR-Systeme auf Germaniumbasis, 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 Glasfaserleitungen zu erhöhen. Durch den Einbau von Germanium wird ein Signalverlust verhindert, der verhindert werden kann.

Germaniumformen werden auch in Substraten verwendet, um PVCs sowohl für die weltraumgestützte (Satelliten) als auch für die terrestrische Stromerzeugung herzustellen.

Germaniumsubstraten bilden eine Schicht , in Mehrschichtsystemen , die ebenfalls Gallium, Indium – Phosphid und verwenden  Gallium.  Arsenid. Solche Systeme, die aufgrund ihrer Verwendung von Konzentrationslinsen, die das Sonnenlicht vor seiner Umwandlung in Energie vergrößern, als konzentrierte Photovoltaik (CPV) bezeichnet werden, weisen einen hohen Wirkungsgrad auf, sind jedoch teurer in der Herstellung als kristallines Silizium oder Kupfer-Indium-Gallium- Diselenid (CIGS) -Zellen.

Bei der Herstellung von PET-Kunststoffen werden jährlich rund 17 Tonnen Germaniumdioxid als Polymerisationskatalysator eingesetzt. PET-Kunststoff wird hauptsächlich in Lebensmittel-, Getränke- und Flüssigkeitsbehältern verwendet.

Trotz seines Versagens als Transistor in den 1950er Jahren wird Germanium heute zusammen mit Silizium in Transistorkomponenten für einige Mobiltelefone und drahtlose Geräte verwendet. SiGe-Transistoren haben höhere Schaltgeschwindigkeiten und verbrauchen weniger Strom als die Technologie auf Siliziumbasis. Eine Endanwendung für SiGe-Chips sind Sicherheitssysteme für Kraftfahrzeuge.

Andere Anwendungen für Germanium in der Elektronik umfassen In-Phase-Speicherchips, die aufgrund ihrer Energiesparvorteile den Flash-Speicher 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 Trade Association (MMTA). Germanium
http://www.mmta.co.uk/metals/Ge/

CK722 Museum. Jack Ward.
http://www.ck722museum.com/

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