Германий: что это, как добывают, где и для чего нужен
Когда-то германий был основой полупроводниковой\u000Aпромышленности. Первые транзисторы и диоды делались на основе германия, обеспечив\u000Aпереход от ламповых к полупроводниковым устройствам.
Сейчас германий потерял лидерство в этой области, но остался\u000Aодним из важных и востребованных редкоземельных элементов.
Что такое германий простыми словами
Германий — химический элемент с символом Ge и\u000Aатомным номером 32. Это блестящий, хрупкий, серовато-белый металлоид из группы\u000Aуглерода, химически схожий с соседями по группе — кремнием и оловом. Германий\u000Aбыл открыт в конце XIX века и назван в честь Германии его первооткрывателем\u000AКлеменсом Винклером.
Уникальные свойства германия, такие как полупроводниковые\u000Aхарактеристики, коэффициент преломления и способность образовывать стабильные\u000Aоксиды, делают его ценным элементом.
Где применяют германий и для чего он нужен
Германий используется в нескольких ключевых областях\u000Aблагодаря своим уникальным физическим и химическим свойствам, особенно\u000Aполупроводниковым характеристикам.
Полупроводниковая промышленность
Германий является важнейшим компонентом в полупроводниковой\u000Aпромышленности. Германий был одним из первых материалов, использовавшихся для\u000Aизготовления транзисторов и диодов на заре ее развития. Его способность\u000Aдействовать как полупроводник — проводить электричество при одних условиях и\u000Aизолировать при других — сыграла решающую роль в разработке ранних электронных\u000Aкомпонентов.
Изначально германий использовался для производства\u000Aполупроводников шире, чем кремний, но в итоге кремний победил благодаря более\u000Aширокому диапазону рабочих температур, а также гораздо более низкой цене. Хотя\u000Aкремний в значительной степени заменил германий, более высокая подвижность\u000Aэлектронов германия делает его ценным для специализированных компонентов, где\u000Aважна высокая скорость работы.
Германий высокой чистоты используется в детекторах\u000Aгамма-излучения и рентгеновских лучей. Эти детекторы очень чувствительны и\u000Aиспользуются в ядерной физике, радиологии и астрофизике. Они работают потому,\u000Aчто германий может эффективно преобразовывать гамма-лучи в электроны и «дырки»,\u000Aкоторые затем могут быть обнаружены в виде электрического сигнала.
Германий используется при создании составных\u000Aполупроводников. Его соединяют с такими элементами, как кремний (образуя SiGe),\u000Aгаллий (образуя GaGe) и другими, чтобы получить полупроводники с особыми\u000Aэлектронными свойствами, которые нужны для высокоскоростных транзисторов и\u000Aдругих современных электронных компонентов. Кремний-германиевые сплавы\u000Aприобретают все большее значение в полупроводниковой промышленности. SiGe\u000Aсочетает в себе лучшие свойства кремния и германия и используется в\u000Aвысокоскоростных интегральных схемах, особенно в таких приложениях, как\u000Aбеспроводная связь и волоконная оптика. Эти сплавы обеспечивают более высокую\u000Aскорость и меньшее энергопотребление по сравнению с чисто кремниевыми\u000Aустройствами.
Германий может использоваться в качестве материала подложки\u000Aдля эпитаксиального выращивания других полупроводников. Например, в некоторых\u000Aвысокоскоростных и оптоэлектронных приложениях на германиевой пластине\u000Aвыращивается тонкий слой другого полупроводникового материала.
Продолжаются исследования по использованию германия в новых\u000Aполупроводниковых технологиях. Например, германий изучается при разработке\u000Aтранзисторов нового поколения, таких как туннельные полевые транзисторы (TFET)\u000Aи компоненты квантовых вычислений.
Волоконная оптика
В волоконной оптике германий часто используется в качестве\u000Aлегирующего элемента в сердцевине оптического волокна. Сердечник обычно\u000Aизготавливается из диоксида кремния, а добавление небольшого количества\u000Aдиоксида германия (GeO2) увеличивает его коэффициент преломления.\u000AЭто увеличение показателя преломления необходимо для создания условий полного\u000Aвнутреннего отражения, благодаря которому световые сигналы направляются по\u000Aволокну без значительных потерь.
В одномодовых волокнах, которые используются для передачи\u000Aданных на большие расстояния и с высокой скоростью, добавление германия\u000Aпозволяет точно контролировать коэффициент преломления сердцевины. Это важно\u000Aдля того, чтобы волокно поддерживало только один режим распространения света,\u000Aминимизируя помехи и деградацию сигнала на больших расстояниях.
В многомодовых волокнах с градуированным индексом германий\u000Aиспользуется для создания постепенного изменения показателя преломления от\u000Aцентра волокна к его внешнему краю. Такой профиль с градиентным индексом\u000Aпомогает уменьшить искажение сигнала, поскольку световые лучи, проходящие по\u000Aразным путям, приходят на другой конец волокна примерно в одно и то же время.
Волокна, легированные германием, используются в волоконных\u000Aусилителях, таких как EDFA. Эти усилители жизненно важны в оптических системах\u000Aсвязи большой протяженности, поскольку они усиливают сигнал напрямую, без\u000Aнеобходимости преобразовывать его обратно в электрический сигнал для усиления.
Легирование германием повышает чувствительность волокна к\u000Aсвету, что делает его полезным в различных сенсорных приложениях.\u000AВолоконно-оптические датчики, использующие волокна, легированные германием,\u000Aмогут обнаруживать изменения температуры, давления или деформации, отслеживая\u000Aизменения светового сигнала.
Также германий прозрачен для инфракрасного света, что делает\u000Aего важным материалом для инфракрасной оптики. Он используется в тепловизорах,\u000Aвоенных системах ночного видения и других системах, требующих обнаружения\u000Aинфракрасного света.
Солнечные батареи
Германий используется в технологии производства солнечных\u000Aбатарей, в частности, в высокоэффективных многопереходных фотоэлектрических\u000Aэлементах. Эти элементы состоят из нескольких слоев (спаев) различных\u000Aполупроводниковых материалов, каждый из которых предназначен для поглощения\u000Aразличных участков солнечного спектра. Благодаря использованию нескольких\u000Aматериалов многопереходные элементы могут преобразовывать более широкий\u000Aдиапазон длин волн солнечного света в электричество, достигая более высокого\u000AКПД, чем однопереходные элементы.
В типичном трехпереходном солнечном элементе германий\u000Aвыступает в качестве нижнего слоя. Этот слой настроен на поглощение\u000Aинфракрасной части солнечного спектра. Над ним располагаются другие слои из\u000Aтаких материалов, как арсенид галлия (GaAs) и фосфид индия-галлия (InGaP),\u000Aкоторые поглощают видимую и ультрафиолетовую части спектра соответственно.
Германий имеет низкую энергию полосы пропускания по\u000Aсравнению с кремнием. Это свойство делает его эффективным в поглощении\u000Aинфракрасного света, который является значительной частью солнечного спектра.\u000AЭффективно преобразуя инфракрасный свет в электрическую энергию, германий\u000Aповышает общую эффективность солнечного элемента.
Кроме того, германий обеспечивает хорошее совпадение решеток\u000Aмногих составных полупроводниковых материалов, используемых в верхних слоях\u000Aмногопереходных элементов. Это означает, что кристаллические структуры\u000Aразличных слоев хорошо выравниваются, сводя к минимуму дефекты, которые могут\u000Aпрепятствовать прохождению электрического тока.
Многопереходные элементы на основе германия часто\u000Aиспользуются в концентраторных фотоэлектрических системах. В таких системах\u000Aиспользуются линзы или зеркала для фокусировки солнечного света на небольшой\u000Aвысокоэффективный многопереходный элемент. Учитывая высокую стоимость таких\u000Aэлементов, концентрация света уменьшает количество необходимого дорогостоящего\u000Aматериала для элементов, что делает систему более экономичной.
Многопереходные солнечные элементы с германием используются\u000Aв основном в космической технике (например, на спутниках) и в наземных\u000Aконцентраторных фотоэлектрических системах высокого класса, где эффективность\u000Aважнее стоимости. Такие элементы достигают значительно более высокого КПД, чем\u000Aтрадиционные кремниевые, но при этом более дороги в производстве, что\u000Aограничивает их применение специализированными устройствами.
Химическая промышленность
Германий используется в нескольких специализированных\u000Aобластях химической промышленности. Соединения германия, особенно\u000Aгерманийорганические соединения, применяются в качестве катализаторов\u000Aполимеризации некоторых пластмасс. Эти катализаторы помогают контролировать\u000Aструктуру полимера, влияя на его свойства.
Соединения германия используются в качестве промежуточных\u000Aпри синтезе других химических продуктов. Их уникальная реакционная способность\u000Aи характеристики связи делают их пригодными для некоторых видов органического\u000Aсинтеза.
Германий используется в химической промышленности не так\u000Aшироко, как некоторые другие элементы, из-за его относительной дефицитности и\u000Aвысокой стоимости, но там, где он применяется, он часто играет незаменимую\u000Aроль.
Металлургия
Германий включают в различные сплавы, чтобы улучшить их\u000Aсвойства. Так, его добавляют в серебро для создания сплавов стерлингового\u000Aсеребра, которые отличаются повышенной устойчивостью к потускнению и\u000Aдолговечностью. Германий образует на поверхности тонкий, невидимый оксидный\u000Aслой, который защищает серебро от окисления и сульфидирования (основных причин\u000Aпотускнения). Эти сплавы особенно ценятся в ювелирных изделиях, столовом\u000Aсеребре и других декоративных предметах.
В золотые сплавы германий добавляют для повышения твердости\u000Aи прочности золота. Это особенно полезно для ювелирных изделий, где повышенная\u000Aтвердость означает меньшее количество царапин и деформаций с течением времени.\u000AГерманий также помогает уменьшить склонность сплава к потускнению.
Германий может быть добавлен в бронзу (медь и олово), чтобы\u000Aсоздать более обрабатываемый и устойчивый к коррозии материал. Эти сплавы\u000Aиногда используются в музыкальных инструментах, морском оборудовании и других\u000Aобластях, где важна коррозионная стойкость.
Германий иногда добавляют в бессвинцовые припои (например,\u000Aна основе олова и меди), чтобы улучшить их плавящиеся и смачивающие свойства.\u000AЭто становится все более важным, поскольку электронная промышленность отказывается\u000Aот использования припоев на основе свинца из-за проблем со здоровьем и\u000Aокружающей средой.
Медицина
Применение германия в медицине ограничено и неоднозначно.\u000AНесмотря на интерес к потенциальным полезным свойствам некоторых соединений\u000Aгермания, они не получили широкого распространения из-за опасений по поводу их\u000Aбезопасности.
Органические соединения германия, в частности сесквиоксид\u000Aгермания (Ge-132), продаются в качестве пищевых добавок. Сторонники утверждают,\u000Aчто они обладают такими преимуществами, как укрепление иммунной системы,\u000Aпротивораковые свойства и улучшение общего состояния здоровья. Однако эти\u000Aзаявления не подкреплены научными данными, а безопасность германиевых добавок\u000Aставится под сомнение.
В некоторых исследованиях изучалось использование\u000Aопределенных соединений германия в качестве противораковых средств. Эти\u000Aисследования находятся в основном на ранних стадиях, и единого мнения об\u000Aэффективности или безопасности применения соединений германия в лечении рака\u000Aнет.
Были проведены некоторые исследования по использованию\u000Aгермания в качестве средства для лечения остеопороза. Некоторые исследования показывают,\u000Aчто германий может стимулировать образование костной ткани, но эта область\u000Aисследований пока находится в зачаточном состоянии.
Как добывают германий
Германий обычно не добывается в качестве первичного\u000Aпродукта; чаще всего его извлекают как побочный продукт при добыче и\u000Aпереработке других металлов, в частности цинка. Основным источником германия\u000Aявляется сфалерит, цинковая руда. На цинковых рудниках добывается большое\u000Aколичество этой руды, содержащей следовые количества германия.
Сфалеритовая руда перерабатывается для извлечения цинка. В\u000Aпроцессе переработки цинковой руды германий также концентрируется вместе с\u000Aдругими побочными продуктами, такими как свинец, серебро и кадмий. На\u000Aобогатительной фабрике материал проходит несколько стадий, включая дробление,\u000Aизмельчение и различные формы физического и химического разделения (например,\u000Aфлотацию). В ходе этого процесса происходит концентрация германия и других\u000Aценных металлов.
Концентрированный материал подвергается процессу\u000Aвыщелачивания, часто с использованием серной кислоты или других химических\u000Aвеществ, которые растворяют германий вместе с другими металлами. Из фильтрата\u000Aгерманий извлекается с помощью ряда химических процессов. Они могут включать\u000Aэкстракцию растворителем, осаждение и дистилляцию. Конкретные методы зависят от\u000Aналичия других материалов и желаемой чистоты германия. Затем германий\u000Aрафинируют для достижения желаемой чистоты. Для этого могут использоваться\u000Aтакие методы, как зонное рафинирование, которое позволяет получать германий\u000Aочень высокой чистоты для полупроводниковых применений.
Очищенный германий можно превратить в различные соединения,\u000Aтакие как диоксид германия (GeO2), который используется в волоконной\u000Aоптике, или тетрахлорид германия (GeCl4), который может быть\u000Aпереработан в высокочистый германий для электроники.
Иногда германий также извлекают из угольной золы или\u000Aнекоторых видов медных руд, но это менее распространенные источники. Общий\u000Aпроцесс производства германия сложен из-за его следовой концентрации и\u000Aнеобходимости тщательного рафинирования для достижения высокой чистоты,\u000Aнеобходимой для большинства его применений.
Где добывают германий
Германий получают в основном как побочный продукт при\u000Aпереработке цинковой руды и, в меньшей степени, при переработке меди и угля.\u000AТаким образом, производство германия не привязано к конкретным «германиевым\u000Aрудникам», а скорее к местам добычи этих других материалов. К основным регионам\u000Aи странам, где германий добывается в качестве побочного продукта, относятся:
Китай. Китай является одним из крупнейших\u000Aпроизводителей германия и ведет значительную добычу и переработку цинка.\u000AКрупные цинкоплавильные заводы страны являются основными источниками германия;
Канада. Канада с ее значительной горнодобывающей\u000Aпромышленностью, особенно по добыче цинка, является еще одним источником\u000Aгермания;
Соединенные Штаты. США также производят германий, в\u000Aосновном, как побочный продукт при переработке цинковой руды, а также из угольной\u000Aзолы и, в меньшей степени, из медных руд;
Перу. Горнодобывающая промышленность Перу, особенно\u000Aцинковые и медные рудники, вносит свой вклад в производство германия;
Финляндия. Финляндия известна своей горнодобывающей\u000Aпромышленностью, в том числе добычей цинка, что способствует производству\u000Aгермания;
Россия. Россия с ее обширными минеральными ресурсами\u000Aтакже производит германий в качестве побочного продукта при добыче цинка и меди;
Бельгия. Бельгия не добывает германий, но является\u000Aключевым игроком в области переработки и аффинажа германия благодаря компаниям,\u000Aспециализирующимся на металлургии и переработке различных металлов, включая\u000Aгерманий.
