خصائص الجرمانيوم والتاريخ والتطبيقات

الجرمانيوم هو معدن أشباه الموصلات الفضية النادرة التي تستخدم في تكنولوجيا الأشعة تحت الحمراء وكابلات الألياف الضوئية والخلايا الشمسية.

• الرمز الذري: Ge
• الرقم الذري: 32
• فئة العنصر: ميتالويد
• 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

من الناحية الفنية ، يتم تصنيف الجرمانيوم على أنه ميتالويد أو شبه معدنية. واحدة من مجموعة من العناصر التي تمتلك خصائص كل من المعادن وغير المعادن.

في شكله المعدني ، يكون الجرمانيوم فضي اللون ، صلبًا وهشًا.

تشمل خصائص الجرمانيوم الفريدة شفافية الإشعاع الكهرومغناطيسي القريب من الأشعة تحت الحمراء (في الأطوال الموجية بين 1600-1800 نانومتر) ، مؤشر الانكسار العالي ، وانخفاض بصري تشتت.

والميتالويد هو أيضا شبه موصل بشكل جوهري.

تنبأ ديميتري مندليف ، أبو الجدول الدوري ، بوجود العنصر رقم 32 ، الذي سماه إيكسيليكونفي عام 1869. بعد سبعة عشر عامًا ، الكيميائي كليمنس أ. اكتشف Winkler وعزل العنصر من argyrodite المعدنية النادرة (Ag8GeS6). أطلق على العنصر اسم وطنه ألمانيا.

خلال عشرينيات القرن العشرين ، أدى البحث في الخواص الكهربائية للجرمانيوم إلى تطوير نقاء عالي الجرمانيوم أحادي البلورة. تم استخدام الجرمانيوم أحادي البلورة لتصحيح الثنائيات في أجهزة استقبال رادار الميكروويف خلال الحرب العالمية الثانية.

جاء أول تطبيق تجاري للجرمانيوم بعد الحرب ، بعد اختراع الترانزستورات من قبل جون باردين ووالتر براتين ووليام شوكلي في مختبرات بيل في ديسمبر عام 1947. في السنوات التالية ، وجدت الترانزستورات التي تحتوي على الجرمانيوم طريقها إلى أجهزة تبديل الهاتف وأجهزة الكمبيوتر العسكرية وأجهزة السمع وأجهزة الراديو المحمولة.

بدأت الأمور تتغير بعد عام 1954 ، عندما اخترع جوردون تيل من شركة تكساس إنسترومنتس أ السيليكون الترانزستور. تميل الترانزستورات الجرمانيوم إلى الفشل في درجات الحرارة المرتفعة ، وهي مشكلة يمكن حلها بالسيليكون. حتى تيل ، لم يكن أحد قادرًا على إنتاج السيليكون بنقاوة عالية بما يكفي لاستبدال الجرمانيوم ، ولكن بعد عام 1954 السيليكون بدأت في استبدال الجرمانيوم في الترانزستورات الإلكترونية ، وبحلول منتصف الستينيات ، كانت الترانزستورات الجرمانيوم عمليا غير موجود.

تطبيقات جديدة قادمة. أدى نجاح الجرمانيوم في الترانزستورات المبكرة إلى مزيد من البحث وتحقيق خصائص الأشعة تحت الحمراء الجرمانيوم. في النهاية ، أدى هذا إلى استخدام المعدن كمكون رئيسي لعدسات ونوافذ الأشعة تحت الحمراء.

اعتمدت أولى مهمات استكشاف الفضاء فوييجر التي تم إطلاقها في السبعينيات على الطاقة التي تنتجها الخلايا الكهروضوئية السليكونية الجرمانيوم (SiGe) (PVC). لا تزال PVCs القائمة على الجرمانيوم حاسمة لعمليات الأقمار الصناعية.

أدى التطور والتوسع أو شبكات الألياف البصرية في التسعينيات إلى زيادة الطلب على الجرمانيوم ، الذي يستخدم لتشكيل النواة الزجاجية لكابلات الألياف البصرية.

بحلول عام 2000 ، أصبحت PVCs عالية الكفاءة والثنائيات الباعثة للضوء (LEDs) التي تعتمد على ركائز الجرمانيوم مستهلكين كبيرين للعنصر.

مثل معظم المعادن الصغيرة ، يتم إنتاج الجرمانيوم كمنتج ثانوي لتكرير المعادن الأساسية ولا يتم تعدينه كمادة أولية.

يتم إنتاج الجرمانيوم بشكل شائع من sphalerite زنك خامات ولكن من المعروف أيضًا أنها مستخرجة من فحم الرماد المتطاير (المنتج من محطات توليد الطاقة بالفحم) وبعضها نحاس خامات.

بغض النظر عن مصدر المادة ، يتم تنقية جميع مركزات الجرمانيوم أولاً باستخدام عملية الكلورة والتقطير التي تنتج رابع كلوريد الجرمانيوم (GeCl4). يتم بعد ذلك تحلل وتجفيف رابع كلوريد الجرمانيوم ، مما ينتج ثاني أكسيد الجرمانيوم (GeO2). ثم يتم تقليل الأكسيد بالهيدروجين لتكوين مسحوق فلز الجرمانيوم.

يتم صب مسحوق الجرمانيوم في قضبان عند درجات حرارة تزيد عن 1720.85 درجة فهرنهايت (938.25 درجة مئوية).

تكرير المنطقة (عملية الانصهار والتبريد) تعزل القضبان وتزيل الشوائب ، وفي النهاية ، تنتج قضبان الجرمانيوم عالية النقاء. غالبًا ما يكون معدن الجرمانيوم التجاري نقيًا بنسبة 99.999 ٪.

يمكن أيضًا تطوير الجرمانيوم المكرر في المنطقة إلى بلورات ، يتم تقطيعها إلى قطع رقيقة لاستخدامها في أشباه الموصلات والعدسات البصرية.

قدرت هيئة المسح الجيولوجي الأمريكية (USGS) الإنتاج العالمي من الجرمانيوم بنحو 120 طنًا متريًا في عام 2011 (يحتوي على الجرمانيوم).

يتم إعادة تدوير ما يقدر بنحو 30 ٪ من إنتاج الجرمانيوم السنوي في العالم من مواد الخردة ، مثل عدسات الأشعة تحت الحمراء المتقاعدة. يتم إعادة تدوير ما يقدر بنحو 60 ٪ من الجرمانيوم المستخدم في أنظمة الأشعة تحت الحمراء.

تقود الصين أكبر الدول المنتجة للجرمانيوم ، حيث تم إنتاج ثلثي الجرمانيوم في عام 2011. المنتجين الرئيسيين الآخرين تشمل كندا وروسيا والولايات المتحدة وبلجيكا.

تشمل منتجي الجرمانيوم الرئيسيين تيك الموارد المحدودة.وشركة يونان لينكانج شينيوان جرمانيوم الصناعية ، وأميكور ، ونانجينغ جرمانيوم كومباني

وفقًا لـ USGS ، يمكن تصنيف تطبيقات الجرمانيوم إلى 5 مجموعات (متبوعة بنسبة مئوية تقريبية من إجمالي الاستهلاك):

1. بصريات الأشعة تحت الحمراء - 30٪
2. الألياف الضوئية - 20٪
3. بولي إيثيلين تيريفثاليت (PET) - 20٪
4. الإلكترونية والشمسية - 15٪
5. الفوسفور والمعادن - 5٪

تزرع بلورات الجرمانيوم وتتشكل في عدسات ونافذة لأنظمة الأشعة تحت الحمراء أو التصوير الحراري. حوالي نصف جميع هذه الأنظمة ، التي تعتمد بشكل كبير على الطلب العسكري ، تشمل الجرمانيوم.

تشمل الأنظمة أجهزة صغيرة محمولة باليد ومركبة على الأسلحة ، بالإضافة إلى أنظمة محمولة على المركبات الجوية والبرية والبحرية. بُذلت جهود لتنمية السوق التجاري لأنظمة الأشعة تحت الحمراء المستندة إلى الجرمانيوم ، كما هو الحال في السيارات المتطورة ، ولكن التطبيقات غير العسكرية لا تزال تمثل حوالي 12 ٪ فقط من الطلب.

يتم استخدام رابع كلوريد الجرمانيوم كمطعم - أو مادة مضافة - لزيادة معامل الانكسار في قلب زجاج السيليكا لخطوط الألياف البصرية. من خلال دمج الجرمانيوم ، يمكن منع فقدان الإشارة.

تُستخدم أيضًا أشكال الجرمانيوم في ركائز لإنتاج PVC لكل من الفضاء (الأقمار الصناعية) وتوليد الطاقة الأرضية.

تشكل ركائز الجرمانيوم طبقة واحدة في أنظمة متعددة الطبقات تستخدم أيضًا الغاليوم وفوسفيد الإنديوم و الغاليوم الزرنيخ. مثل هذه الأنظمة ، المعروفة باسم الخلايا الكهروضوئية المركزة (CPVs) بسبب استخدامها للعدسات المركزة التي تضخم الضوء الشمسي قبل أن يتم تحويلها إلى طاقة ، ولديها مستويات عالية الكفاءة ولكنها أكثر تكلفة في التصنيع من السيليكون البلوري أو النحاس-الإنديوم-الغاليوم-ديسيلينيد (CIGS) الخلايا.

يتم استخدام ما يقرب من 17 طنًا متريًا من ثاني أكسيد الجرمانيوم كمحفز البلمرة في إنتاج بلاستيك PET كل عام. يستخدم بلاستيك PET في المقام الأول في الأطعمة والمشروبات والحاويات السائلة.

على الرغم من فشلها كترانزستور في الخمسينات ، إلا أن الجرمانيوم يستخدم الآن جنبًا إلى جنب مع السيليكون في مكونات الترانزستور لبعض الهواتف المحمولة والأجهزة اللاسلكية. تتمتع ترانزستورات SiGe بسرعات تحويل أكبر وتستخدم طاقة أقل من التكنولوجيا القائمة على السيليكون. أحد تطبيقات الاستخدام النهائي لرقائق SiGe هو في أنظمة سلامة السيارات.

تشمل الاستخدامات الأخرى للجرمانيوم في الإلكترونيات رقائق الذاكرة في الطور ، والتي تحل محل ذاكرة الفلاش في العديد الأجهزة الإلكترونية بسبب فوائدها الموفرة للطاقة ، وكذلك في الركائز المستخدمة في إنتاج مصابيح LED.

_مصادر:

_{USGS. الكتاب السنوي للمعادن 2010: الجرمانيوم. ديفيد إي. غوبرمان.}
http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/germanium/

_{جمعية تجارة المعادن الثانوية (MMTA). الجرمانيوم}
http://www.mmta.co.uk/metals/Ge/

_{متحف CK722. جاك وارد.}
http://www.ck722museum.com/