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El germanio es un metal semiconductor raro, de color plateado, que se utiliza en tecnología de infrarrojos, 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
Características
Técnicamente, el germanio se clasifica como metaloide o semimetal. 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 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 denominó ekasilicon , en 1869. Diecisiete años después, el químico Clemens A. Winkler descubrió y aisló el elemento del argyrodite mineral raro (Ag8GeS6). Nombró el 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 usó como diodo rectificador en receptores de radar de microondas durante la Segunda Guerra Mundial.
La primera aplicación comercial para el germanio vino después de la guerra, siguiendo la invención de los transistores de John Bardeen, Walter Brattain y William Shockley en los Laboratorios Bell en diciembre de 1947.
En los años siguientes , transistores que contienen germanio encontraron su camino en 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 transistor de silicio. Los transistores de germanio tenían una tendencia a fallar a altas temperaturas, un problema que podría resolverse con silicio.
Hasta Teal, nadie había sido capaz de producir silicio con una pureza suficiente para reemplazar el germanio, pero después de 1954 el silicio comenzó a reemplazar el germanio en transistores electrónicos, y para mediados de la década de 1960, los transistores de germanio eran prácticamente inexistentes.
Nuevas aplicaciones vendrían. El éxito del germanio en los primeros transistores llevó a una mayor investigación y la realización de las propiedades infrarrojas del germanio. En última instancia, esto dio como resultado que el metaloide se usara como un componente clave de las lentes y ventanas de infrarrojos (IR).
Las primeras misiones de exploración espacial Voyager lanzadas en la década de 1970 se basaron en la energía producida por células fotovoltaicas de silicio-germanio (SiGe) (PVC).Los PVC basados en germanio siguen siendo fundamentales para las operaciones de satélites.
El desarrollo y la expansión de las redes de fibra óptica en la década de 1990 llevó 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) dependientes de sustratos de germanio se habían convertido en grandes consumidores del elemento.
Producción
Al igual que la mayoría de los metales menores, el germanio se produce como un subproducto del refinado de metales básicos y no se extrae como material primario.
El germanio se produce con mayor frecuencia a partir de minerales de zinc de esfalerita, pero también se sabe que se extrae del carbón de ceniza volante (producido a partir de centrales eléctricas de carbón) y algunos minerales de cobre.
Independientemente de la fuente del 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 seca, produciendo dióxido de germanio (GeO2). El óxido se reduce luego con hidrógeno para formar polvo de germanio metálico.
El polvo de germanio se vierte en barras a temperaturas superiores a 1720. 85 ° F (938. 25 ° C).
Refinación de zonas (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 germanio comercial es a menudo más de 99. 999% puro.
El germanio refinado en la zona puede convertirse en cristales, que se cortan en trozos delgados para su uso en semiconductores y lentes ópticas.
La producción mundial de germanio fue estimada por el Servicio Geológico de los Estados Unidos (USGS) en alrededor de 120 toneladas métricas en 2011 (contenía germanio).
Se estima que el 30% de la producción anual de germanio en el mundo se recicla a partir de materiales de desecho, como los lentes IR retirados. Se estima que el 60% del germanio utilizado en sistemas de infrarrojos ahora se recicla.
Las naciones productoras de germanio más grandes 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 son 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 una porcentaje aproximado del consumo total):
- Óptica IR - 30%
- Fibra óptica - 20%
- Tereftalato de polietileno (PET) - 20%
- Electrónica y solar - 15%
- Fósforos, metalurgia y orgánico: cristales de germanio al 5%
se cultivan y se transforman en lentes y ventanas para sistemas ópticos IR o de formación de imágenes térmicas. Aproximadamente la mitad de todos esos sistemas, que dependen en gran medida de la demanda militar, incluyen el germanio.
Los sistemas incluyen pequeños dispositivos manuales y montados en arma, así como sistemas montados en vehículos basados en aire, tierra y mar. Se han realizado esfuerzos para hacer crecer el mercado comercial de los sistemas IR basados en germanio, como en los automóviles de gama alta, 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 previene la pérdida de señal y se puede prevenir.
Las formas de germanio también se usan en sustratos para producir PVC tanto para la generación de energía terrestre (satélites) como para la generación de energía terrestre.
Los sustratos de germanio forman una capa en sistemas de varias capas que también usan galio, fosfuro de indio y arseniuro de galio. Dichos sistemas, conocidos como fotovoltaicos concentrados (CPV) debido a su uso de lentes de concentración que aumentan 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. células diselenide (CIGS).
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 componentes de transistores 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 está en sistemas de seguridad automotriz.
Otros usos del germanio en electrónica incluyen los chips de memoria de fase, que reemplazan la memoria flash en muchos dispositivos electrónicos debido a sus beneficios de ahorro de energía, así como en los sustratos utilizados en la producción de LED.
Fuentes:
USGS. Anuario 2010 de Minerales: Germanio. David E. Guberman.
// minerals. usgs. gov / minerals / pubs / commodity / germanium /
Minor Metals Trade Association (MMTA). Germanio
// www. mmta. co. Reino Unido / metales / Ge /
Museo CK722. Jack Ward.
// www. ck722museum. com /
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