נכסי גרמניום, היסטוריה ויישומים

גרמניום הוא מתכת נדירה בצבע כסף מוליכים למחצה המשמשת בטכנולוגיית אינפרא אדום, כבלים אופטיים ותאים סולאריים.

• סמל אטומי: Ge
• מספר אטומי: 32
• קטגוריית אלמנטים: מטאלואיד
• צפיפות: 5.323 גרם / ס"מ 3
• נקודת התכה: 938.25 מעלות צלזיוס
• נקודת רתיחה: 5131 מעלות צלזיוס
• קשיות מוהס: 6.0

מבחינה טכנית הגרמניום מסווג כ- מתכתי או חצי מתכת. אחד מקבוצת האלמנטים שיש להם תכונות של מתכות וגם של לא מתכות.

בצורתו המטאלית, הגרמניום הוא כסוף בצבעו, קשה ושברירי.

המאפיינים הייחודיים של גרמניום כוללים שקיפות לקרינה אלקטרומגנטית כמעט אינפרא אדום (באורכי גל בין 1600-1800 ננומטר), אינדקס השבירה הגבוה שלו והאופטי הנמוך שלה פיזור.

המטאלואיד הוא גם מוליך מוליך למחצה.

דמיטרי מנדלייב, אבי הטבלה המחזורית, ניבא את קיומו של אלמנט מספר 32, אותו שמו ekasilicon, בשנת 1869. 17 שנה אחר כך הכימאי קלמנס א. וינקלר גילה ובודד את היסוד מהמינרל הנדיר ארגירודיטה (Ag8GeS6). הוא קרא את היסוד על שם מולדתו, גרמניה.

במהלך שנות העשרים של המאה העשרים, מחקר על תכונותיו החשמליות של גרמניום הביא להתפתחות גרמניום חד-גבישי בעל טוהר גבוה. גרמניום חד-קריסטל שימש כדיודות מיישרים במקלטי מכ"ם במיקרוגל במהלך מלחמת העולם השנייה.

היישום המסחרי הראשון לגרמניום הגיע לאחר המלחמה, בעקבות המצאת הטרנזיסטורים מאת ג'ון בארדן, וולטר בראטיין וויליאם שוקלי במעבדות בל בדצמבר 1947. בשנים שלאחר מכן טרנזיסטורים המכילים גרמניום מצאו את דרכם אל ציוד מיתוג טלפוני, מחשבים צבאיים, מכשירי שמיעה ומכשירי רדיו ניידים.

אולם הדברים החלו להשתנות לאחר 1954, כאשר גורדון טיל ממכשירי טקסס המציא את א סיליקון טרנזיסטור. לטרנזיסטורים גרמניום הייתה נטייה להיכשל בטמפרטורות גבוהות, בעיה שניתן היה לפתור באמצעות סיליקון. עד טיל, איש לא הצליח לייצר סיליקון בעל טוהר מספיק גבוה כדי להחליף גרמניום, אך לאחר 1954 סיליקון החל להחליף גרמניום בטרנזיסטורים אלקטרוניים, ובאמצע שנות השישים, טרנזיסטורים גרמניום היו למעשה לא קיים.

יישומים חדשים היו אמורים להגיע. ההצלחה של גרמניום בטרנזיסטורים המוקדמים הובילה למחקר רב יותר ולהגשמת תכונות האינפרא אדום של גרמניום. בסופו של דבר, זה הביא לכך שהמטאלואיד שימש כמרכיב מפתח בעדשות אינפרא אדום (IR) וחלונות.

המשימות הראשונות לחקר החלל Voyager שהושקו בשנות השבעים הסתמכו על כוח המיוצר על ידי תאים פוטו-וולטאיים מסיליקון-גרמניום (SiGe). סרטי PVC מבוססי גרמניום הם עדיין קריטיים לפעילות לוויין.

פיתוח והרחבה או רשתות סיבים אופטיים בשנות התשעים הובילו לגידול בביקוש לגרמניום המשמש ליצירת ליבת הזכוכית של כבלי סיבים אופטיים.

עד שנת 2000, PVC ויעילות גבוהה דיודות פולטות אור (LED) התלויות במצעים גרמניום הפכו לצרכנים גדולים של היסוד.

כמו רוב המתכות הזעירות, הגרמניום מיוצר כתוצר לוואי של זיקוק מתכות בסיסיות ולא מכרה כחומר ראשוני.

הגרמניום מופק לרוב מספירייט אבץ עפרות אך ידוע גם כי מופק מפחם אפר זבוב (המיוצר מתחנות כוח פחם) וחלקן נחושת עפרות.

ללא קשר למקור החומר, כל תרכיזי הגרמניום מטוהרים תחילה באמצעות תהליך כלורוב ומזקק המייצר גרמניום טטרכלוריד (GeCl4). לאחר מכן מיובש ומייבש גרמניום טטרכלוריד ומייצר גרמניום דו חמצני (GeO2). לאחר מכן מופחתת התחמוצת עם מימן ליצירת אבקת מתכת גרמניום.

אבקת גרמניום יוצקת לסורגים בטמפרטורות של מעל 938.25 מעלות צלזיוס.

זיקוק אזור (תהליך של התכה וקירור) הסורגים מבודד ומסלק זיהומים ובסופו של דבר מייצר סרטי גרמניום בעלי טוהר גבוה. מתכת גרמניום מסחרית היא לרוב יותר מ- 99.999% טהור.

ניתן לגדל גרמניום מעודן-אזור לקריסטלים, שנפרסים לחתיכות דקות לשימוש במוליכים למחצה ובעדשות אופטיות.

הייצור העולמי של גרמניום נאמד על ידי הסקר הגיאולוגי האמריקני (USGS) בכ -120 טון בשנת 2011 (הכיל גרמניום).

כ- 30% מתוצרת הגרמניום השנתית בעולם ממוחזרים מחומרי גרוטאות, כמו עדשות IR בפנסיה. כ- 60% מהגרמניום המשמשים במערכות IR ממוחזרים כעת.

המדינות הגדולות ביותר המייצרות גרמניום מובלות על ידי סין, שם הופק שני שלישים מכל הגרמניום בשנת 2011. יצרנים גדולים אחרים כוללים קנדה, רוסיה, ארה"ב ובלגיה.

יצרני גרמניום גדולים כוללים טק משאבים בע"מ, יונאן לינקאנג שינואן גרמניום תעשייתי ושות ', Umicore ו- Nanjing Germanium Co.

על פי ה- USGS, ניתן לסווג יישומי גרמניום לחמש קבוצות (ואחריה אחוז משוער מכלל הצריכה):

1. אופטיקה IR - 30%
2. סיבים אופטיים - 20%
3. פוליאתילן טרפטלט (PET) - 20%
4. אלקטרוני וסולארי - 15%
5. זרחן, מתכות ואורגני - 5%

גבישים גרמניום מגדלים ונוצרים לעדשות וחלונות למערכות אופטיות IR או הדמיה תרמית. כמחצית מכל המערכות הללו, התלויות במידה רבה בדרישה צבאית, כוללות גרמניום.

המערכות כוללות מכשירים קטנים המותקנים ביד וכלי נשק, כמו גם מערכות רכבות לרכב על בסיס אוויר, יבשה ויבשת. נעשה מאמץ להרחיב את השוק המסחרי של מערכות IR מבוססות גרמניום, כמו במכוניות מתקדמות, אך יישומים לא צבאיים עדיין מהווים רק כ -12% מהביקוש.

גרמניום טטרכלוריד משמש כתרופת סמים - או כתוסף - כדי להגדיל את מדד השבירה בליבת זכוכית סיליקה של קווי סיבים אופטיים. על ידי שילוב גרמניום ניתן למנוע איבוד אותות.

צורות גרמניום משמשות גם במצעים לייצור פי-פי-איי הן לייצור כוח שטח (לוויינים) והן לייצור חשמל יבשתי.

מצעי גרמניום מהווים שכבה אחת במערכות רב שכבתיות המשתמשות גם בגליום, אינדיום פוספיד ו גליום ארסן. מערכות כאלה, המכונות פוטו-וולטאיות מרוכזות (CPVs) בגלל השימוש בהן בעדשות ריכוז המגדילות את אור השמש לפני שהוא המומר לאנרגיה, יש רמות יעילות גבוהה אך יקר לייצור מאשר סיליקון גבישי או נחושת-אינדיום-גליום-דיסליניד. (CIGS) תאים.

בערך 17 טונות מטריום גרמניום דו חמצני משמש כזרז פילמור בייצור פלסטיק של PET בכל שנה. פלסטיק PET משמש בעיקר במכולות מזון, משקאות ונוזלים.

למרות כישלונו כטרנזיסטור בשנות החמישים, גרמניום משמש כיום יחד עם סיליקון ברכיבי טרנזיסטור לכמה טלפונים סלולריים ומכשירים אלחוטיים. לטרנזיסטורים של SiGe מהירויות מיתוג גבוהות יותר ומשתמשים בפחות כוח מאשר טכנולוגיה מבוססת סיליקון. יישום אחד לשימוש סוף עבור שבבי SiGe הוא במערכות בטיחות לרכב.

שימושים אחרים עבור גרמניום באלקטרוניקה כוללים שבבי זיכרון בשלב, המחליפים זיכרון פלאש ברבים מכשירים אלקטרוניים עקב היתרונות החיסכון באנרגיה שלהם, כמו גם במצעים המשמשים לייצור נוריות LED.

_{מקורות:}

_{USGS. שנת מינרלים לשנת 2010: גרמניום. דייוויד א. גוברמן.}
http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/germanium/

_{איגוד סחר מתכות מינור (MMTA). גרמניום}
http://www.mmta.co.uk/metals/Ge/

_{מוזיאון CK722. ג'ק וורד.}
http://www.ck722museum.com/