Aprender sobre Germanium

O germânio é um metal semicondutor de cor prata, que é usado em tecnologia infravermelha, cabos de fibra óptica e células solares.

Propriedades

• Símbolo Atómico: Ge
• Número Atômico: 32
• Categoria do Elemento: Metanoide
• Densidade: 5. 323 g / cm3
• Ponto de fusão: 1720. 85 ° F (938. 25 ° C)
• Ponto de ebulição: 2833 ° C
• dureza Mohs: 6. 0

Características

Tecnicamente, o germânio é classificado como metalóide ou semi-metal. Um de um grupo de elementos que possuem propriedades de metais e não metais.

Na sua forma metálica, o germânio é de cor prateada, rígido e quebradiço.

As características únicas do germânio incluem sua transparência para a radiação eletromagnética do infravermelho próximo (em comprimentos de onda entre 1600-1800 nanômetros), seu alto índice de refração e sua baixa dispersão óptica.

O metalóide também é intrinsecamente semicondutor.

História

Demitri Mendeleev, o pai da tabela periódica, previu a existência do elemento número 32, que ele chamou ekasilicon , em 1869. Dezessete anos depois, o químico Clemens A. Winkler descobriu e isolou O elemento do argyrodite mineral raro (Ag8GeS6). Ele nomeou o elemento depois de sua terra natal, a Alemanha.

Durante a década de 1920, a pesquisa sobre as propriedades elétricas do germânio resultou no desenvolvimento de germânio de alta pureza, de um único cristal. O germânio de um único cristal foi usado como dentes de retificação em receptores de radar de microondas durante a Segunda Guerra Mundial.

A primeira aplicação comercial para o germânio veio após a guerra, seguindo a invenção dos transistores por John Bardeen, Walter Brattain e William Shockley no Bell Labs, em dezembro de 1947.

Nos anos seguintes , os transistores contendo germânio encontraram caminho no equipamento de comutação telefônica, computadores militares, aparelhos auditivos e rádios portáteis.

As coisas começaram a mudar depois de 1954, no entanto, quando Gordon Teal, da Texas Instruments, inventou um transistor de silício. Os transistores de germânio tiveram tendência a falhar em altas temperaturas, um problema que poderia ser resolvido com silício.

Até Teal, ninguém conseguiu produzir silício com uma pureza suficientemente alta para substituir o germânio, mas, depois de 1954, o silício começou a substituir o germânio em transistores eletrônicos e, até meados da década de 1960, os transistores de germânio eram praticamente inexistentes.

Novas aplicações estavam por vir. O sucesso do germânio nos primeiros transistores levou a mais pesquisas e a realização de propriedades de infravermelho do germânio. Em última análise, isso resultou no uso de metalóides como componente chave de lentes infravermelhas (IR) e janelas.

As primeiras missões de exploração espacial da Voyager lançadas na década de 1970 basearam-se em energia produzida por células fotovoltaicas de silício-germânio (SiGe) (PVCs).Os PVCs baseados em germânio ainda são críticos para as operações de satélites.

O desenvolvimento e a expansão ou as redes de fibra óptica na década de 1990 levaram a uma maior demanda de germânio, que é usado para formar o núcleo de vidro dos cabos de fibra óptica.

Até 2000, os PVCs de alta eficiência e diodos emissores de luz (LEDs) dependentes de substratos de germânio tornaram-se grandes consumidores do elemento.

Produção

Como a maioria dos metais menores, o germânio é produzido como subproduto da refinação de metais comuns e não é extraído como material primário.

O germânio é mais comumente produzido a partir de minérios de zinco de esfalerite, mas também é conhecido por ser extraído de carvão de cinzas volantes (produzido a partir de plantas de energia de carvão) e alguns minérios de cobre.

Independentemente da fonte de material, todos os concentrados de germânio são primeiro purificados usando um processo de cloração e destilação que produz tetracloreto de germânio (GeCl4). O tetracloreto de germânio é então hidrolisado e seco, produzindo dióxido de germânio (GeO2). O óxido é então reduzido com hidrogênio para formar pó de metal de germânio.

O pó de germânio é lançado em barras a temperaturas acima de 1720. 85 ° F (938. 25 ° C).

Zone-refining (um processo de fusão e refrigeração), as barras isolam e removem impurezas e, em última análise, produz barras de germânio de alta pureza. Geralmente, o germanium metal é mais de 99. 999% puro.

O germanio refinado em zona pode ser adicionado em cristais, que são cortados em pedaços finos para uso em semicondutores e lentes ópticas.

A produção global de germânio foi estimada pelo US Geological Survey (USGS) para aproximadamente 120 toneladas métricas em 2011 (germanium).

Cerca de 30% da produção anual mundial de germânio é reciclado a partir de materiais de sucata, como lentes IR retiradas. Estima-se que 60% do germânio usado em sistemas de infravermelho agora seja reciclado.

Os maiores países produtores de germânio são liderados pela China, onde dois terços de todo o germânio foi produzido em 2011. Outros grandes produtores incluem o Canadá, a Rússia, os EUA e a Bélgica.

Os principais produtores de germânio incluem Teck Resources Ltd., Yunnan Lincang Xinyuan Germanium Industrial Co., Umicore e Nanjing Germanium Co.

Aplicações

De acordo com o USGS, as aplicações de germânio podem ser classificadas em 5 grupos (seguidos por um percentual aproximado do consumo total):

1. Óptica de IV - 30%
2. Fibra óptica - 20%
3. Tereftalato de polietileno (PET) - 20%
4. Eletrônicos e solares - 15%
5. Fosfores, metalurgia e orgânicos - 5%

Os cristais de germânio são cultivados e formados em lentes e janelas para sistemas ópticos de IR ou de imagens térmicas. Cerca de metade de todos esses sistemas, que são fortemente dependentes da demanda militar, incluem germânio.

Os sistemas incluem pequenos dispositivos portáteis e arma-montados, bem como sistemas montados em veículos aéreos, terrestres e marítimos. Esforços foram feitos para crescer o mercado comercial para sistemas de IR baseado em germânio, como em carros high-end, mas as aplicações não-militares ainda representam apenas cerca de 12% da demanda.

O tetracloreto de germânio é usado como dopante - ou aditivo - para aumentar o índice de refração no núcleo de vidro de sílica de linhas de fibra óptica. Ao incorporar germânio, a perda de sinal é evitada pode ser evitada.

As formas de germânio também são usadas em substratos para produzir PVCs tanto para sistemas baseados em espaço (satélites) como para geração de energia terrestre.

Os substratos de germânio formam uma camada em sistemas multicamadas que também utilizam gálio, fosforeto de índio e arsenieto de gálio. Tais sistemas, conhecidos como fotovoltaicos concentrados (CPVs) devido ao uso de lentes de concentração que ampliam a luz solar antes de serem convertidas em energia, têm níveis de alta eficiência, mas são mais caras de fabricação do que o silício cristalino ou o cobre-indio-gálio- Células de dissertação (CIGS).

Aproximadamente 17 toneladas métricas de dióxido de germânio são usadas como catalisador de polimerização na produção de plásticos de PET a cada ano. O plástico PET é usado principalmente em recipientes de alimentos, bebidas e líquidos.

Apesar da sua falha como transistor na década de 1950, o germânio é agora usado em conjunto com o silício em componentes de transistor para alguns celulares e dispositivos sem fio. Os transistores SiGe possuem maiores velocidades de comutação e usam menos energia do que a tecnologia baseada em silício. Um aplicativo de uso final para chips SiGe é em sistemas de segurança automotiva.

Outros usos para o germânio na eletrônica incluem em chips de memória de fase, que estão substituindo a memória flash em muitos dispositivos eletrônicos devido aos seus benefícios de economia de energia, bem como em substratos utilizados na produção de LEDs.

_Fontes:

_{USGS. Anuário de Minerais 2010: Germanium. David E. Guberman.}
// minerais. Usgs. gov / minerais / pubs / commodity / germanium /

_{Associação de Comércio de Minor Metals (MMTA). Germanium}
// www. mmta. co. Reino Unido / Ge /

_{CK722 Museum. Jack Ward.}
// www. ck722museum. com /