الحصول على معلومات حول الخصائص والتاريخ والإنتاج والتطبيقات
الجرمانيوم هو معدن نووي أشباه الموصلات نادر اللون يستخدم في تكنولوجيا الأشعة تحت الحمراء وكابلات الألياف البصرية والخلايا الشمسية.
الخصائص
- الرمز الذري: قه
- العدد الذري: 32
- فئة العنصر: Metalloid
- الكثافة: 5.323 غم / سم 3
- نقطة الانصهار: 1720.85 درجة فهرنهايت (938.25 درجة مئوية)
- نقطة الغليان: 5131 درجة فهرنهايت (2833 درجة مئوية)
- صلابة موس: 6.0
مميزات
من الناحية الفنية ، يتم تصنيف الجرمانيوم على أنه معدن صغير أو شبه معدني. واحدة من مجموعة من العناصر التي تمتلك خصائص كل من المعادن وغير المعادن.
في شكله المعدني ، الجرمانيوم لونه فضي ، صلب ، وهش.
وتشمل الخصائص الفريدة للجيرمانيوم شفافيته إلى الإشعاع الكهرومغناطيسي القريب من الأشعة تحت الحمراء (عند أطوال موجية تتراوح بين 1600 و 1800 نانومتر) ، ومؤشر انكسارها المرتفع ، وتشتته البصري المنخفض.
والفينوال هو أيضا شبه موصل في الأصل.
التاريخ
تنبأ ديمتري مندلييف ، والد الجدول الدوري ، بوجود العنصر رقم 32 ، الذي أطلق عليه اسم أكسيليكون ، في عام 1869. وبعد سبعة عشر عامًا ، اكتشف الكيميائي كليمنس إيه وينكلر وعزله عن عنصر الأرجرويد المعدني (Ag8GeS6). سماها العنصر بعد وطنه ، ألمانيا.
خلال 1920s ، أدى البحث في الخصائص الكهربائية من الجرمانيوم في تطوير عالية النقاء ، الجرمانيوم وحيدة البلورة. تم استخدام الجرمانيوم أحادي البلورة كديونين تصحيح في أجهزة استقبال الرادار الميكروويف أثناء الحرب العالمية الثانية.
وجاء أول تطبيق تجاري للجرمانيوم بعد الحرب ، بعد اختراع الترانزستورات من قبل جون باردين ، والتر براتين ، وويليام شوكلي في مختبر بيل في ديسمبر من عام 1947.
في السنوات التالية ، وجدت الترانزستورات التي تحتوي على الجرمانيوم طريقها إلى معدات تبديل الهاتف ، وأجهزة الكمبيوتر العسكرية ، وأجهزة السمع وأجهزة الراديو المحمولة.
بدأت الأمور تتغير بعد عام 1954 ، عندما اخترع جوردون تيل من شركة تكساس إنسترومنتس ترانزستور سيليكون . ترانزستورات الجرمانيوم لديها ميل للفشل في درجات حرارة عالية ، وهي مشكلة يمكن حلها مع السيليكون.
حتى Teal ، لم يكن أحد قادراً على إنتاج السيليكون بدرجة نقاء عالية بما فيه الكفاية ليحل محل الجرمانيوم ، ولكن بعد 1954 بدأ السليكون باستبدال الجرمانيوم في الترانزستورات الإلكترونية ، وبحلول منتصف الستينيات ، كانت ترانزستورات الجرمانيوم شبه معدومة.
طلبات جديدة قادمة. أدى نجاح الجرمانيوم في الترانزستورات في وقت مبكر إلى مزيد من البحوث وتحقيق خصائص الأشعة تحت الحمراء الجرمانيوم. في نهاية المطاف ، أدى ذلك إلى استخدام metalloid كمكون رئيسي من العدسات ونوافذ الأشعة تحت الحمراء (IR).
اعتمدت البعثات الأولى لاستكشاف الفضاء فويجر التي أطلقت في السبعينات على الطاقة التي تنتجها الخلايا الكهروضوئية السيليكونية (SiGe) (PVC). لا تزال الـ PVCs المعتمدة على الجيرمانيوم حاسمة بالنسبة لعمليات الأقمار الصناعية.
أدى التطور والتوسع أو شبكات الألياف البصرية في التسعينات إلى زيادة الطلب على الجرمانيوم ، الذي يستخدم لتشكيل قلب الزجاج من كابلات الألياف البصرية.
وبحلول عام 2000 ، أصبحت الـ PVCs ذات الكفاءة العالية والوحدات الثنائية الباعثة للضوء (LED) التي تعتمد على ركائز الجرمانيوم مستهلكات كبيرة للعنصر.
إنتاج
مثل معظم المعادن الثانوية ، يتم إنتاج الجرمانيوم كمنتج ثانوي لتكرير المعادن الأساسية ولا يتم استخراجه كمواد أولية.
يتم إنتاج الجرمانيوم بشكل شائع من خامات الزنك السباليريتية ، ولكن يُعرف أيضًا أنه يتم استخراجه من الفحم الرماد المتطاير (المنتج من محطات توليد الطاقة بالفحم) وبعض خامات النحاس .
بغض النظر عن مصدر المادة ، يتم أولاً تنقية جميع مركّزات الجرمانيوم باستخدام عملية المعالجة بالكلور والتقطير التي تنتج رابع كلوريد الجرمانيوم (GeCl4). ثم يتم تحلل رابع كلوريد الجرمانيوم وتجفيفه ، مما ينتج ثاني أكسيد الجرمانيوم (GeO2). ثم يتم خفض أكسيد مع الهيدروجين لتشكيل مسحوق المعادن الجرمانيوم.
يلقي مسحوق الجرمانيوم في القضبان عند درجات حرارة أعلى من 1720.85 درجة فهرنهايت (938.25 درجة مئوية).
عملية تكرير المنطقة (عملية تذويب وتبريد) تعزل القضبان وتزيل الشوائب وتنتج في النهاية قضبان جرمانيوم عالية النقاء. وغالبا ما يكون معدن الجرمانيوم التجاري أكثر نقاءًا من 99.999٪.
يمكن إضافة الجرمانيوم المكرر في المنطقة إلى بلورات ، يتم تقطيعها إلى قطع رفيعة لاستخدامها في أشباه الموصلات والعدسات البصرية.
وقد قدر الإنتاج العالمي من الجرمانيوم من قبل هيئة المسح الجيولوجي الأمريكية (USGS) أن يكون ما يقرب من 120 طن متري في عام 2011 (يحتوي على الجرمانيوم).
يتم إعادة تدوير 30٪ تقريبًا من إنتاج الجرمانيوم السنوي من مواد خردة ، مثل العدسات المتقشرة من الأشعة تحت الحمراء. يتم الآن إعادة تدوير 60٪ تقريبًا من الجرمانيوم المستخدم في أنظمة الأشعة تحت الحمراء.
تقود الصين أكبر الدول المنتجة للجرمانيوم ، حيث تم إنتاج ثلثي جميع الجرمانيوم في عام 2011. ومن بين المنتجين الرئيسيين الآخرين كندا وروسيا والولايات المتحدة وبلجيكا.
ومن بين كبار منتجي الجرمانيوم شركة تيك ريسورسز المحدودة ويوننان لينكانج شينيوان جرمانيوم اندستريال كومباني وأوميكور ونانجينج جيرمانيوم.
تطبيقات
وفقا ل USGS ، يمكن تصنيف تطبيقات الجرمانيوم إلى 5 مجموعات (تليها نسبة مئوية تقريبًا من إجمالي الاستهلاك):
- بصريات الأشعة تحت الحمراء - 30٪
- بصريات الالياف - 20٪
- البولي ايثيلين تيريفثاليت (PET) - 20 ٪
- الالكترونية والشمسية - 15 ٪
- الفوسفورات ، المعادن والعضوية - 5 ٪
تزرع بلورات الجرمانيوم وتتشكل في العدسات ونافذة لأنظمة بصرية الأشعة تحت الحمراء أو التصوير الحراري. حوالي نصف هذه الأنظمة ، التي تعتمد بشكل كبير على الطلب العسكري ، تشمل الجرمانيوم.
وتشمل الأنظمة أجهزة محمولة صغيرة محمولة على الأسلحة ، بالإضافة إلى أنظمة جوية وبرية ومركبة مركبة على البحر. وقد بذلت جهود لتنمية السوق التجاري لأنظمة الأشعة تحت الحمراء القائمة على الجرمانيوم ، كما هو الحال في السيارات عالية الجودة ، ولكن التطبيقات غير العسكرية لا تزال تشكل حوالي 12٪ فقط من الطلب.
يستخدم رابع كلوريد الجرمانيوم كمادة مضافة - أو مضافة - لزيادة معامل الانكسار في قلب زجاج السيليكا من خطوط الألياف البصرية. من خلال دمج الجرمانيوم ، يتم منع فقدان إشارة يمكن منعها.
كما تستخدم أشكال من الجرمانيوم في ركائز لإنتاج PVCs في كل من الفضاء (السواتل) وتوليد الطاقة الأرضية.
ركائز الجرمانيوم تشكل طبقة واحدة في أنظمة متعدد الطبقات التي تستخدم أيضا الغاليوم ، فوسفيد الإنديوم ، وزرنيخيد الغاليوم . هذه الأنظمة ، المعروفة باسم الخلايا الكهروضوئية المركزة (CPV) بسبب استخدامها للعدسات المركزة التي تضخِم الضوء الشمسي قبل أن يتم تحويلها إلى طاقة ، لها مستويات عالية من الكفاءة ولكنها أكثر تكلفة في التصنيع من السيليكون البلوري أو النحاس - الإنديوم - الغاليوم. خلايا diselenide (CIGS).
يتم استخدام ما يقرب من 17 طن متري من ثاني أكسيد الجرمانيوم كمحفز بلمرة في إنتاج البلاستيك PET كل عام. يستخدم البلاستيك PET في المقام الأول في الأغذية والمشروبات والحاويات السائلة.
على الرغم من فشله كترانزستور في 1950s ، يتم الآن استخدام الجرمانيوم بالترادف مع السيليكون في مكونات الترانزستور لبعض الهواتف المحمولة والأجهزة اللاسلكية. تتمتع ترانزستورات SiGe بسرعات تحويل أكبر وتستخدم طاقة أقل من التقنية القائمة على السيليكون. أحد تطبيقات الاستخدام النهائي لرقائق SiGe هو أنظمة أمان السيارات.
وتشمل الاستخدامات الأخرى للجرمانيوم في الإلكترونيات في رقائق الذاكرة المرحلة ، التي تحل محل ذاكرة فلاش في العديد من الأجهزة الإلكترونية بسبب فوائدها الموفرة للطاقة ، وكذلك في الركائز المستخدمة في إنتاج المصابيح.
مصادر:
USGS. الكتاب السنوي للمعادن لعام 2010: الجرمانيوم. ديفيد ج.
http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/germanium/
جمعية تجارة المعادن الصغرى (MMTA). الجرمانيوم
http://www.mmta.co.uk/metals/Ge/
متحف CK722. جاك وارد.
http://www.ck722museum.com/