Fakta om germanium for børn

Et stykke germanium

Germanium er et kemisk grundstof. Dets kemiske symbol er Ge. Dets atomnummer er 32. Det blev opdaget af Clemens Winkler. Det er en skinnende, hård, sølvhvid metalloid. Kemien af germanium er ganske som tin. Germanium danner et stort antal organometalliske forbindelser. Det er et vigtigt halvledermateriale, der anvendes i transistorer.

Produktion

Renierit

I 2011 blev der produceret ca. 118 tons germanium på verdensplan, hovedsagelig i Kina (80 t), Rusland (5 t) og USA (3 t). Germanium udvindes som et biprodukt fra sphaleritzinkmalme, hvor det er koncentreret i mængder på helt op til 0,3 %, især fra sedimentholdige, massive Zn-Pb-Cu(-Ba)-forekomster med lav temperatur og Zn-Pb-Cu(-Ba)-forekomster med karbonatholdige Zn-Pb-forekomster. En nylig undersøgelse viste, at der findes mindst 10 000 t ekstraherbart germanium i kendte zinkreserver, især i aflejringer af Mississippi-Valley-typen, mens mindst 112 000 t vil blive fundet i kulreserver. I 2007 blev 35 % af efterspørgslen dækket af genanvendt germanium.

Det fremstilles hovedsagelig af sphalerit, men findes også i sølv-, bly- og kobbermalme. En anden kilde til germanium er flyveaske fra kraftværker, der drives af kulforekomster, som indeholder germanium. Rusland og Kina har brugt dette som en kilde til germanium. Ruslands forekomster er placeret langt mod øst på Sakhalinøen og nordøst for Vladivostok. Forekomsterne i Kina ligger hovedsagelig i brunkulsminerne nær Lincang i Yunnan; der udvindes også kul nær Xilinhaote i Indre Mongoliet.

Anvendelser

En typisk single-mode optisk fiber. Germaniumoxid er en dopant i kernesilica (punkt 1).
1. Kerne 8 µm
2. Omsætning 125 µm
3. Buffer 250 µm
4. Kappe 400 µm

De vigtigste slutanvendelser for germanium i 2007 på verdensplan blev anslået til at være: 35% til fiberoptik, 30% til infrarød optik, 15% til polymeriseringskatalysatorer og 15% til elektronik og solenergi. De resterende 5% blev anvendt til f.eks. fosforer, metallurgi og kemoterapi.

Optik

De bemærkelsesværdige egenskaber ved germanium (GeO2) er dets høje brydningsindeks og dets lave optiske dispersion. Disse egenskaber gør det særligt anvendeligt til vidvinkelkameraobjektiver, mikroskopi og til kernen i optiske fibre. Det har erstattet titanoxid som doteringsmiddel til silicafibre, idet den efterfølgende varmebehandling, der gjorde fibrene skøre, er blevet overflødig. Ved udgangen af 2002 tegnede den fiberoptiske industri sig for 60 % af det årlige germaniumforbrug i USA, men det er mindre end 10 % af det globale forbrug. GeSbTe er et faseændringsmateriale, der anvendes på grund af dets optiske egenskaber, som f.eks. i genskrivbare DVD’er.

Da germanium er gennemsigtigt i de infrarøde bølgelængder, er det et vigtigt infrarødt optisk materiale, der let kan skæres og poleres til linser og vinduer. Det anvendes især som frontoptik i termiske kameraer, der arbejder i 8-14 mikron-området til passiv termisk billeddannelse og til hot-spot-detektion i militæret, mobilt nattesyn og brandbekæmpelsesapplikationer. Det anvendes i infrarøde spektroskoper og andet optisk udstyr, der kræver ekstremt følsomme infrarøde detektorer. Det har et meget højt brydningsindeks (4,0) og skal være belagt med antirefleksmidler. Især en meget hård speciel antirefleksbelægning af diamantlignende kulstof (DLC), brydningsindeks 2,0, er et godt match og giver en diamanthård overflade, der kan modstå meget miljømæssigt misbrug.

Elektronik

Solcellemoduler monteret på soltrackere

Silicium-germaniumlegeringer er hurtigt ved at blive et vigtigt halvledermateriale til integrerede højhastighedskredsløb. Kredsløb, der udnytter egenskaberne ved Si-SiGe-forbindelser, kan være meget hurtigere end kredsløb, der udelukkende anvender silicium. Silicium-germanium er begyndt at erstatte galliumarsenid (GaAs) i trådløse kommunikationsanordninger. SiGe-chips med højhastighedsegenskaber kan fremstilles med billige, veletablerede produktionsteknikker fra siliciumchipindustrien.

Solpaneler er en af de vigtigste anvendelser af germanium. Germanium er substratet for wafers til højeffektive multijunktionsfotoceller med høj effektivitet til rumapplikationer. Lysdioder med høj lysstyrke, der anvendes til forlygter i biler og til baggrundsbelysning af LCD-skærme, er en vigtig anvendelse.

Da germanium og galliumarsenid har meget ens gitterkonstanter, kan germaniumsubstrater anvendes til at fremstille galliumarsenid-solceller. Mars Exploration Rovers og flere satellitter anvender triple junction-galliumarsenid på germaniumceller.

Germanium på isolatorsubstrater ses som en potentiel erstatning for silicium på miniaturechips. Andre anvendelser i elektronik omfatter fosforer i lysstofrør og lysdioder (LED’er) i faste stoffer. Germaniumtransistorer anvendes stadig i nogle effektpedaler af musikere, der ønsker at reproducere den karakteristiske tonale karakter af “fuzz”-tonen fra den tidlige rock and roll-æra, især Dallas Arbiter Fuzz Face.

Andre anvendelser

En PET-flaske

Germaniumdioxid anvendes også i katalysatorer til polymerisering i produktionen af polyethylenterephthalat (PET). Den høje glans af denne polyester er især foretrukket til PET-flasker, der markedsføres i Japan. I USA anvendes germanium ikke til polymeriseringskatalysatorer.

På grund af ligheden mellem silica (SiO2) og germaniumdioxid (GeO2) kan den stationære fase af silica i visse gaskromatografiske kolonner erstattes af GeO2.

I de seneste år har germanium oplevet stigende anvendelse i ædelmetallegeringer. I sterlingsølvlegeringer reducerer det f.eks. brandskorrosion, øger modstandsdygtigheden over for anløbning og forbedrer udfældningshærdningen. En anløbssikker sølvlegering med varemærket Argentium indeholder 1,2 % germanium.

Halvlederdetektorer fremstillet af enkeltkrystal germanium af høj renhed kan præcist identificere strålekilder – f.eks. i forbindelse med sikkerhedskontrol i lufthavne. Germanium er nyttigt til monokromatorer til strålebaner, der anvendes til enkeltkrystalneutronspredning og synkrotronrøntgendiffraktion. Refleksionsevnen har fordele i forhold til silicium i neutron- og højenergirøntgenapplikationer. Krystaller af germanium af høj renhed anvendes i detektorer til gammaspektroskopi og til efterforskning af mørkt stof. Germaniumkrystaller anvendes også i røntgenspektrometre til bestemmelse af fosfor, klor og svovl.

Germanium er ved at blive et vigtigt materiale til spintronik og spinbaserede kvantecomputere. I 2010 demonstrerede forskere spintransport ved stuetemperatur, og for nylig er det blevet påvist, at donorelektronspins i germanium har meget lange kohærenstider.

Billeder til børn

• 

  Dmitri Mendelejev

• 

  Stikprøver af germaniumforbindelser fremstillet af Clemens Winkler, opdageren af grundstoffet