Новый эпизод нашего сериала о критически важных технологических элементах.
Германий: значение, производство, торговля, цена.
А также что такое спинтроника и придёт ли она на смену классической электронике.
Применение
Германий относится к металлоидам или полуметаллам (выглядит как металл, но хрупок и легко ломается). Является полупроводником и в своё время сыграл важнейшую роль в компьютерной технологической революции.
В 1947 году из него был сделан первый в мире транзистор (устройство для управления электрическим потоком в цепи) и до конца 1950-х годов обширно применялся в этих устройствах, пока не был большей частью вытеснен кремнием.
Германий обладает уникальными оптическими свойствами. На сегодняшний день наибольшая его часть используется в волоконно-оптических системах. Оптическое волокно (тонкая стеклянная нить) в отличие от медного провода, передаёт информацию при помощи световых волн, а не электрического тока, что значительно повышает скорость этой самой передачи.
Второе направление – инфракрасная оптика. Поскольку германий прозрачен в инфракрасном диапазоне волн (в отличие от обычного стекла) линзы из него активно применяются в тепловизорах, приборах ночного видения, ночных прицелах и другой технике.
Важное свойство германия – высокий показатель преломления и низкая оптическая дисперсия, - делает его востребованным в широкоугольных объективах и микроскопах.
В настоящее время германий более активно применяется в подложках в солнечных батареях. В частности, данная технология будет использоваться в проектируемой космической станции Gateway.
Для производства пластмасс широко применяются германиевые катализаторы. А в некоторых странах он используется также для производства полиэтилентерефталата – основного сырья для синтетических тканей и пластиковых бутылок.
Наконец, кремний-германиевые сплавы значительно увеличивают быстродействие интегральных схем.
Таким образом, не стоит удивляться тому, что германий отнесён к технологически важным элементам.
Медицина
Для людей и других млекопитающих германий не токсичен, но активен в отношении ряда бактерий, что открывает некоторые перспективы использования его в качестве химиотерапевтического средства.
Неопровержимого научного подтверждения этому пока нет. Исследования продолжаются.
Производство и внешняя торговля
В природе германий встречается достаточно редко и почти никогда в чистом виде (для этого он слишком реактивен).
Основной источник получения – цинковые руды и угольная зола. Небольшое количество извлекается из медных, свинцовых и серебряных руд.
На примере этого и других элементов, которые мы рассматривали, прекрасно видно, как Китай постепенно монополизирует производство технологически важных материалов.
Он же является ведущим мировым экспортером германия. Почти весь экспорт направляется в 5 стран: Россию, Германию, Бельгию, Японию и США (в порядке убывания количества).
Достаточно редкий случай, когда Россия является ведущим мировым импортёром технологического элемента. Даже несмотря на то, что занимает второе место в мире по его производству.
Цены
На ведущих мировых биржах металлов германий не торгуется. Тем не менее этот элемент (с чистотой 99,9999% - такой уровень нужен для производства полупроводников) можно купить у частных продавцов (в России цена составляет порядка 120 тыс. руб./кг).
Цены растут. И как знать, возможно вложения в технологические материалы является вполне приемлемой долгосрочной инвестицией.
Спинтроника
Как мы уже отмечали, в настоящее время в электронике, чтобы закодировать «1» или «0» используется транзистор. Самые маленькие устройства имеют размер в 10 нанометров (1 мм = 1 млн. нанометров).
Несмотря на достаточно небольшие объёмы, для восприятия человеческим глазом, с точки зрения атомной структуры вещества, это достаточно большая величина.
Новое направление – спинтроника (которое, вполне вероятно, придёт на смену классической электронике) предполагает создание устройств, в которых для передачи сигнала используется не разность заряда электронов, а сила их вращения: положение спин «вверх» — «1», положение спин «вниз» — «0». То есть спин сам по себе оказывается носителем информации. Скорость изменения положения спина очень высока - триллионные доли секунды. Это позволит осуществлять сверхбыстрые логические операции.
Спиновые приборы будут многофункциональны. Они позволят совмещать на одном чипе функции накопителя для хранения информации, детектора для ее считывания, логического анализатора для ее обработки и коммутатора для последующей ее передачи к другим элементам чипа. Кроме того, такие устройства будут потреблять намного меньше энергии (поворот спина не требует значительных энергетических затрат и практически не выделяет тепла).
Эти преимущества позволят спинтронным устройствам стать основой для вычислительных машин нового поколения — квантовых компьютеров.
Проблема заключается в том, что в традиционных материалах спин очень легко переворачивается из-за тепловых флуктуаций. Можно решить эту проблему охлаждением до минус 232°С, но вряд ли пользователям будет комфортно эксплуатировать устройства в таких условиях.
Необходимо найти материал, который обеспечивает время управляемой жизни спина (время при котором положение не меняется) достаточным для передачи его на нужные расстояния при комнатной температуре.
В настоящее время несколько исследовательских групп экспериментируют с различными материалами на основе германия и висмута, которые сейчас представляются наиболее перспективными.
Поиски продолжаются, и, быть может, мы на пороге нового «квантового скачка» в науке.
Возможно, Вам также будет интересно:
Если узнали что-то новое, просьба оставить лайк. Подпишитесь на канал, и мы обещаем ещё много интересного.
