El germanio es un raro metal semiconductor de color plateado que se utiliza en tecnología infrarroja, cables de fibra óptica y células solares.
Propiedades
- Símbolo atómico: Ge
- Número atómico: 32
- Categoría del elemento: metaloide
- Densidad: 5.323 g / cm3
- Punto de fusión: 1720.85 ° F (938.25 ° C)
- Punto de ebullición: 5131 ° F (2833 ° C)
- Dureza de Mohs: 6.0
Caracteristicas
Técnicamente, el germanio se clasifica como metaloide o semi-metal. Uno de un grupo de elementos que posee propiedades de metales y no metales.
En su forma metálica, el germanio es de color plateado, duro y quebradizo.
Las características únicas del germanio incluyen su transparencia a la radiación electromagnética del infrarrojo cercano (a longitudes de onda entre 1600-1800 nanómetros), su alto índice de refracción y su baja óptica dispersión.
El metaloide también es intrínsecamente semiconductor.
Historia
Demitri Mendeleev, el padre de la tabla periódica, predijo la existencia del elemento número 32, al que llamó ekasilicon, en 1869. Diecisiete años después, el químico Clemens A. Winkler descubrió y aisló el elemento de la rara argyrodita mineral (Ag8GeS6). Llamó al elemento después de su tierra natal, Alemania.
Durante la década de 1920, la investigación de las propiedades eléctricas del germanio dio como resultado el desarrollo de germanio monocristalino de alta pureza. El germanio monocristalino se utilizó como diodos rectificadores en receptores de radar de microondas durante la Segunda Guerra Mundial.
La primera aplicación comercial para germanio llegó después de la guerra, luego de la invención de los transistores por John Bardeen, Walter Brattain y William Shockley en los Laboratorios Bell en diciembre de 1947. En los años siguientes, los transistores que contenían germanio llegaron a equipos 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 silicio transistor. 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 inexistente.
Nuevas aplicaciones estaban por venir. El éxito del germanio en los primeros transistores llevó a una mayor investigación y a la realización de las propiedades infrarrojas del germanio. Finalmente, esto resultó en el uso del metaloide como un componente clave de las lentes y ventanas infrarrojas (IR).
Las primeras misiones de exploración espacial Voyager lanzadas en la década de 1970 se basaron en la energía producida 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 de las redes de fibra óptica en la década de 1990 condujo 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 dependen 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 no se extrae como material primario.
El germanio se produce más comúnmente a partir de esfalerita. zinc minerales, pero también se sabe que se extraen del carbón de cenizas volantes (producido a partir de plantas de energía de carbón) y algunos cobre minerales
Independientemente de la fuente de material, todos los concentrados de germanio se purifican primero mediante 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 luego con hidrógeno para formar polvo de metal de germanio.
El polvo de germanio se moldea en barras a temperaturas superiores a 1720.85 ° F (938.25 ° C).
El refinado de zona (un proceso de fusión y enfriamiento) las barras aísla y elimina las impurezas y, en última instancia, produce barras de germanio de alta pureza. El germanio metálico comercial es a menudo más de 99.999% puro.
El germanio refinado por zonas se puede cultivar en cristales, que se cortan en trozos delgados para su uso en semiconductores y lentes ópticos.
El Servicio Geológico de los Estados Unidos (USGS) estimó que la producción mundial de germanio era de aproximadamente 120 toneladas métricas en 2011 (contenía germanio).
Se estima que el 30% de la producción anual de germanio del mundo se recicla a partir de materiales de desecho, como lentes IR retiradas. Se estima que el 60% del germanio utilizado en los sistemas IR ahora se recicla.
Las mayores naciones productoras de germanio están lideradas por China, donde dos tercios de todo el germanio se produjo en 2011. Otros productores importantes incluyen Canadá, Rusia, Estados Unidos y Bélgica.
Los principales productores de germanio incluyen 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 (seguidas de un porcentaje aproximado del consumo total):
- Óptica IR: 30%
- Fibra óptica - 20%
- Tereftalato de polietileno (PET) - 20%
- Electrónica y solar - 15%
- Fosforos, metalurgia y orgánicos - 5%
Los cristales de germanio se cultivan y se forman en lentes y ventanas para sistemas ópticos IR o de imagen térmica. Aproximadamente la mitad de todos estos sistemas, que dependen en gran medida de la demanda militar, incluyen germanio.
Los sistemas incluyen pequeños dispositivos de mano y montados en armas, así como sistemas aéreos, terrestres y marítimos montados en vehículos. Se han realizado esfuerzos para hacer crecer el mercado comercial de los sistemas IR basados en germanio, como en los 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 un 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 utilizan 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 galio arseniuro Dichos sistemas, conocidos como fotovoltaicos concentrados (CPV) debido al uso de lentes de concentración que magnifican la luz solar antes de que sea convertido a energía, tiene niveles de alta eficiencia pero es más costoso de fabricar que el silicio cristalino o el diselenuro de cobre-indio-galio (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 utiliza principalmente en alimentos, bebidas y envases de líquidos.
A pesar de su fracaso como transistor en la década de 1950, el germanio ahora se usa junto con el silicio en los componentes del transistor para algunos teléfonos celulares y dispositivos inalámbricos. Los transistores SiGe tienen mayores velocidades de conmutación y usan menos energía que la tecnología basada en silicio. Una aplicación de uso final para chips SiGe es 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: germanio. David E. Guberman
http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/germanium/
Asociación de Comercio de Metales Menores (MMTA). Germanio
http://www.mmta.co.uk/metals/Ge/
Museo CK722. Jack Ward
http://www.ck722museum.com/