ゲルマニウムの性質、歴史、用途
ゲルマニウム金属インゴット。画像著作権 Strategic Metal Investments Ltd.
ゲルマニウムは、赤外線技術、光ファイバー ケーブル、および太陽電池で使用される希少な銀色の半導体金属です。
プロパティ
- 原子記号: Ge
- 原子番号: 32
- 要素カテゴリ: メタロイド
- 密度: 5.323 g/cm3
- 融点: 1720.85 °F (938.25 °C)
- 沸点: 5131 °F (2833 °C)
- モース硬度：6.0
特徴
技術的には、ゲルマニウムは メタロイド または半金属。金属と非金属の両方の性質を持つ元素群の一つ。
金属の形では、ゲルマニウムは銀色で、硬く、もろいです。
ゲルマニウムのユニークな特性には、近赤外線電磁放射 (1600 ～ 1800 ナノメートルの波長) に対する透明性、高い屈折率、および低い光分散が含まれます。
半金属は、本質的に半導体でもあります。
歴史
周期表の父であるデミトリ メンデレーエフは、元素番号 32 の存在を予言し、彼はそれを命名しました。 エカシリコン 、1869 年に。17 年後、化学者クレメンス A. ウィンクラーは、珍しい鉱物のアルギロダイト (Ag8GeS6) から元素を発見し、分離しました。彼は故郷のドイツにちなんでこの要素に名前を付けました。
1920 年代、ゲルマニウムの電気的特性の研究により、高純度の単結晶ゲルマニウムが開発されました。単結晶ゲルマニウムは、第二次世界大戦中にマイクロ波レーダー受信機の整流ダイオードとして使用されました。
ゲルマニウムの最初の商用アプリケーションは、1947 年 12 月にベル研究所でジョン バーディーン、ウォルター ブラッテン、ウィリアム ショックレーがトランジスタを発明した後、戦後になりました。 、軍用コンピューター、補聴器、携帯ラジオなど。
しかし、1954 年以降、テキサス インスツルメンツのゴードン ティールが ケイ素 トランジスタ。ゲルマニウム トランジスタは高温で故障する傾向がありましたが、この問題はシリコンで解決できました。 Teal が登場するまで、ゲルマニウムに取って代わるほど高純度のシリコンを製造することはできませんでしたが、1954 年以降、シリコンは電子トランジスタのゲルマニウムに取って代わり始め、1960 年代半ばまでには、ゲルマニウム トランジスタは事実上存在しなくなりました。
新しいアプリケーションが登場しました。初期のトランジスタにおけるゲルマニウムの成功は、ゲルマニウムの赤外線特性のさらなる研究と実現につながりました。最終的に、これにより、半金属が赤外線 (IR) レンズおよび窓の主要な構成要素として使用されるようになりました。
1970 年代に開始された最初のボイジャー宇宙探査ミッションは、シリコン ゲルマニウム (SiGe) 光電池 (PVC) によって生成された電力に依存していました。ゲルマニウム ベースの PVC は、依然として衛星の運用に不可欠です。
1990 年代の光ファイバー ネットワークの開発と拡張により、光ファイバー ケーブルのガラス コアを形成するために使用されるゲルマニウムの需要が増加しました。
2000 年までに、ゲルマニウム基板に依存する高効率 PVC および発光ダイオード (LED) が、この要素の大きな消費者になりました。
製造
ほとんどのマイナー メタルと同様に、ゲルマニウムは卑金属の精製の副産物として生成され、主要な材料として採掘されません。
ゲルマニウムは、閃亜鉛鉱から最も一般的に生成されます 亜鉛 鉱石ですが、フライアッシュ石炭 (石炭発電所から生産される) から抽出されることも知られています。 銅 鉱石。
材料のソースに関係なく、すべてのゲルマニウム濃縮物は、四塩化ゲルマニウム (GeCl4) を生成する塩素化および蒸留プロセスを使用して最初に精製されます。次に、四塩化ゲルマニウムを加水分解し、乾燥させて、二酸化ゲルマニウム (GeO2) を生成します。次いで、酸化物を水素で還元して、ゲルマニウム金属粉末を形成する。
ゲルマニウム粉末は、1720.85 °F (938.25 °C) 以上の温度で棒状に鋳造されます。
バーをゾーンリファイニング (溶融および冷却のプロセス) して不純物を分離および除去し、最終的に高純度のゲルマニウム バーを製造します。市販のゲルマニウム金属は、多くの場合、純度が 99.999% を超えています。
ゾーン精製されたゲルマニウムはさらに結晶に成長させることができ、半導体や光学レンズに使用するために薄片にスライスされます。
ゲルマニウムの世界的な生産量は、米国地質調査所 (USGS) によって 2011 年に約 120 トン (含有ゲルマニウム) であると推定されました。
世界の年間ゲルマニウム生産量の推定 30% は、廃棄された IR レンズなどのスクラップ材料からリサイクルされています。現在、IR システムで使用されるゲルマニウムの推定 60% がリサイクルされています。
最大のゲルマニウム生産国は中国が主導しており、2011 年には全ゲルマニウムの 3 分の 2 が生産されました。その他の主要な生産国には、カナダ、ロシア、米国、ベルギーが含まれます。
ゲルマニウムの主な生産者は次のとおりです。テック・リソーシズ株式会社、Yunnan Lincang Xinyuan Gelerium Industrial Co.、Umicore、Nanjing Gelerium Co.
アプリケーション
USGS によると、ゲルマニウム アプリケーションは 5 つのグループに分類できます (総消費量のおよそのパーセンテージが続きます)。
- 赤外線オプティクス - 30%
- 光ファイバー - 20%
- ポリエチレンテレフタレート (PET) - 20%
- 電子およびソーラー - 15%
- 蛍光体、冶金および有機物 - 5%
ゲルマニウム結晶は成長し、赤外線または熱画像光学システム用のレンズやウィンドウに成形されます。軍事需要に大きく依存しているこのようなシステムの約半分には、ゲルマニウムが含まれています。
システムには、小型のハンドヘルド デバイスや武器搭載デバイスのほか、空中、陸上、および海上ベースの車載システムが含まれます。高級車など、ゲルマニウム ベースの IR システムの商業市場を拡大するための努力がなされてきましたが、非軍事用途はまだ需要の約 12% しか占めていません。
四塩化ゲルマニウムは、光ファイバー ラインのシリカ ガラス コアの屈折率を高めるためのドーパント (添加剤) として使用されます。ゲルマニウムを配合することで、信号のロスを防ぐことができます。
ゲルマニウムの形態は、宇宙ベース (衛星) および地上発電用の PVC を製造するための基板にも使用されます。
ゲルマニウム基板は、ガリウム、リン化インジウム、および ガリウム 砒化物。エネルギーに変換される前に太陽光を拡大する集光レンズを使用するため、集光型太陽光発電 (CPV) として知られるこのようなシステムは、高効率レベルですが、結晶シリコンや銅 - インジウム - ガリウム - よりも製造コストが高くなります。ジセレニド (CIGS) 細胞。
毎年約 17 トンの二酸化ゲルマニウムが、PET プラスチックの製造における重合触媒として使用されています。 PET プラスチックは、主に食品、飲料、液体の容器に使用されています。
1950 年代にトランジスタとして失敗したにもかかわらず、ゲルマニウムは現在、一部の携帯電話やワイヤレス デバイスのトランジスタ コンポーネントでシリコンと組み合わせて使用されています。 SiGe トランジスタは、シリコンベースの技術よりもスイッチング速度が速く、消費電力が少なくて済みます。 SiGe チップの最終用途の 1 つは、自動車の安全システムです。
電子機器におけるゲルマニウムのその他の用途には、LED の製造に使用される基板だけでなく、省エネルギーの利点により多くの電子デバイスのフラッシュ メモリに取って代わりつつあるインフェーズ メモリ チップが含まれます。
ソース:
USGS。 2010 鉱物年鑑: ゲルマニウム。デビッド・E・グーバーマン。
http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/germanium/
マイナー メタル トレード アソシエーション (MMTA)。ゲルマニウム
http://www.mmta.co.uk/metals/Ge/
CK722 博物館。ジャック・ワード。
http://www.ck722museum.com/