Germanium es un metal semiconductor raro de color plateado que se utiliza en tecnología infrarroja, cables de fibra óptica y células solares.
Propiedades
- Símbolo atómico: Ge
- Número atómico: 32
- Categoría de elemento: Metalloide
- Densidad: 5.323 g / cm3
- Punto de fusión: 1720.85 & amp; # xB0; F (938.25 & amp; # xB0; C)
- Punto de ebullición: 5131 & amp; # xB0; F (2833 & amp; # xB0; C)
- Dureza de Mohs: 6.0
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Características
Técnicamente, el germanio se clasifica como a & amp; amp; nbsp; metaloide & amp; amp; nbsp; o semi-metal. Uno de un grupo de elementos que poseen propiedades tanto de metales como no metálicos.
En su forma metálica, el germanio es de color plateado, duro y quebradizo.
Las características únicas de Germanium & amp; apos; incluyen su transparencia a la radiación electromagnética casi infrarroja (a longitudes de onda entre 1600-1800 nanómetros), su alto índice de refracción y su baja dispersión óptica.
El metaloide también es intrínsecamente semiconductor.
Historia
Demitri Mendeleev, el padre de la tabla periódica, predijo la existencia del elemento número 32, que llamó & amp; amp; nbsp; ekasilicon , en 1869. Diecisiete años después, el químico Clemens A. Winkler descubrió y aisló el elemento de la argyrodita mineral rara (Ag8GeS6). Llamó al elemento después de su tierra natal, Alemania.
Durante la década de 1920, la investigación sobre las propiedades eléctricas del germanio resultó en el desarrollo de germanio de un solo cristal de alta pureza. El germanio de un solo cristal se utilizó como diodos rectificadores en receptores de radar de microondas durante la Segunda Guerra Mundial.
La primera solicitud comercial de germanio se produjo después de la guerra, luego de la invención de los transistores por John Bardeen, Walter Brattain y William Shockley en Bell Labs en diciembre de 1947. En los años siguientes, los transistores que contienen germanio llegaron al equipo de conmutación telefónica, computadoras militares, audífonos y radios portátiles.
Sin embargo, las cosas comenzaron a cambiar después de 1954, cuando Gordon Teal de Texas Instruments inventó un transistor de & amp; amp; nbsp; silicon & amp; amp; nbsp;. Los transistores de germanio tenían una tendencia a fallar a altas temperaturas, un problema que podría resolverse con silicio. Hasta Teal, nadie había podido producir silicio con una pureza lo suficientemente alta como para reemplazar el germanio, pero después de 1954 el silicio comenzó a reemplazar el germanio en transistores electrónicos, y a mediados de la década de 1960, los transistores de germanio eran prácticamente inexistentes.
Nuevas aplicaciones estaban por venir. El éxito del germanio en los primeros transistores condujo a una mayor investigación y la realización de las propiedades infrarrojas de germanio y amp; apos; s. En última instancia, esto resultó en el uso del metaloide como componente clave de lentes y ventanas infrarrojas (IR).
Las primeras misiones de exploración espacial Voyager lanzadas en la década de 1970 se basaron en el poder producido por las células fotovoltaicas (PVC) de silicio-germanio (SiGe). Los PVC a base de germanio siguen siendo críticos para las operaciones satelitales.
El desarrollo y la expansión o las redes de fibra óptica en la década de 1990 condujeron a una mayor demanda de germanio, que se utiliza para formar el núcleo de vidrio de los cables de fibra óptica.
Para el año 2000, los PVC de alta eficiencia y los diodos emisores de luz (LED) que dependían de sustratos de germanio se habían convertido en grandes consumidores del elemento.
Producción
Como la mayoría de los metales menores, el germanio se produce como un subproducto de la refinación de metales básicos y amp; amp; nbsp; y no se extrae como material primario.
El germanio se produce más comúnmente a partir de esfalerita y amp; nbsp; zinc & amp; amp; nbsp; ores & amp; amp; nbsp; pero también se sabe que se extrae del carbón de cenizas volantes (producido a partir de plantas de energía de carbón) y algunos & amp; amp; nbsp; cobre & amp; nbsp; ores.
Independientemente de la fuente del material, todos los concentrados de germanio se purifican primero utilizando un proceso de cloración y destilación que produce tetracloruro de germanio (GeCl4). El tetracloruro de germanio se hidroliza y se seca, produciendo dióxido de germanio (GeO2). El óxido se reduce con hidrógeno para formar polvo de metal de germanio.
El polvo de germanio se convierte en barras a temperaturas superiores a 1720.85 & amp; amp; nbsp; & amp; # xB0; F (938.25 & amp; nbsp; & amp; # xB0; C).
Refinación de zona (un proceso de fusión y enfriamiento) las barras aíslan y eliminan las impurezas y, en última instancia, producen barras de germanio de alta pureza. El metal de germanio comercial es a menudo más del 99.999% puro.
El germanio refinado en zona se puede cultivar aún más en cristales, que se cortan en trozos delgados para su uso en semiconductores y lentes ópticos.
El Servicio Geológico de EE. UU. (USGS) estimó que la producción mundial de germanio era de aproximadamente 120 toneladas métricas en 2011 (gancho contenido).
Se estima que el 30% de la producción anual de germanio de & amp; apos; s se recicla a partir de materiales de desecho, como lentes IR retirados. Se estima que el 60% del germanio utilizado en los sistemas IR ahora se recicla.
Las naciones productoras de germanio más grandes están lideradas por China, donde dos tercios de todo el germanio se produjeron en 2011. Otros productores importantes incluyen Canadá, Rusia, Estados Unidos y Bélgica.
Los principales productores de germanio incluyen & amp; amp; nbsp; Teck Resources Ltd., Yunnan Lincang Xinyuan Germanium Industrial Co., Umicore y Nanjing Germanium Co.
Aplicaciones
Según el USGS, las aplicaciones de germanio se pueden clasificar en 5 grupos (seguido de un porcentaje aproximado del consumo total):
- Óptica IR – 30%
- Óptica de fibra: 20%
- Tereftalato de polietileno (PET) – 20%
- Electrónica y solar: 15%
- Fósforos, metalurgia y orgánicos – 5%
Los cristales de germanio se cultivan y se forman en lentes y ventanas para sistemas ópticos IR o de imágenes térmicas. Aproximadamente la mitad de todos estos sistemas, que dependen en gran medida de la demanda militar, incluyen el germanio.
Los sistemas incluyen pequeños dispositivos manuales y montados en armas, así como sistemas montados en vehículos aéreos, terrestres y marítimos. Se han realizado esfuerzos para hacer crecer el mercado comercial de sistemas IR basados en germanio, como en automóviles de alta gama, pero las aplicaciones no militares todavía representan solo alrededor del 12% de la demanda.
El tetracloruro de germanio se usa como dopante, o aditivo, para aumentar el índice de refracción en el núcleo de vidrio de sílice de las líneas de fibra óptica. Al incorporar germanio, se evita la pérdida de señal.
Las formas de germanio también se usan en sustratos para producir PVC tanto para la generación de energía terrestre (satélites) como espacial.
Los sustratos de germanio forman una capa en sistemas multicapa que también usan galio, fosfuro de indio y amp; amp; nbsp; gallium & amp; amp; nbsp; arsenide. Dichos sistemas, conocidos como fotovoltaicos concentrados (CPV) debido al uso de lentes concentrantes que magnifican la luz solar antes de convertirse en energía, tienen niveles de alta eficiencia pero son más costosos de fabricar que el silicio cristalino o el cobre-indio-galio- diselenuro (CIGS) células.
Aproximadamente 17 toneladas métricas de dióxido de germanio se utilizan como catalizador de polimerización en la producción de plásticos PET cada año. El plástico PET se usa principalmente en alimentos, bebidas y recipientes líquidos.
A pesar de su fracaso como transistor en la década de 1950, el germanio ahora se usa en conjunto con el silicio en los componentes de transistores para algunos teléfonos celulares y dispositivos inalámbricos. Los transistores SiGe tienen mayores velocidades de conmutación y usan menos potencia que la tecnología basada en silicio. Una aplicación de uso final para chips SiGe está en sistemas de seguridad automotriz.
Otros usos del germanio en electrónica incluyen chips de memoria en fase, que están reemplazando la memoria flash en muchos dispositivos electrónicos debido a sus beneficios de ahorro de energía, así como en sustratos utilizados en la producción de LED.
Fuentes:
USGS. Anuario de minerales 2010: Germanium. David E. Guberman.
& lt; br & gt ;
http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/germanium/
& lt; / br & gt ;
Asociación de Comercio de Metales Menores (MMTA). Germanio
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Museo CK722. Jack Ward.
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http://www.ck722museum.com/
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& amp; # x203A; Ciencias
