Germanium Fakten für Kinder

Ein Stück Germanium

Germanium ist ein chemisches Element. Sein chemisches Symbol ist Ge. Seine Ordnungszahl ist 32. Es wurde von Clemens Winkler entdeckt. Es ist ein glänzendes, hartes, silberweißes Metalloid. Die Chemie von Germanium ist ähnlich wie die von Zinn. Germanium bildet eine große Anzahl von metallorganischen Verbindungen. Es ist ein wichtiges Halbleitermaterial, das in Transistoren verwendet wird.

Produktion

Renierit

Im Jahr 2011 wurden weltweit etwa 118 Tonnen Germanium produziert, hauptsächlich in China (80 t), Russland (5 t) und den Vereinigten Staaten (3 t). Germanium wird als Nebenprodukt aus Sphalerit-Zinkerzen gewonnen, wo es in Mengen von bis zu 0,3 % konzentriert ist, insbesondere in sedimentgebundenen, massiven Zn-Pb-Cu(-Ba)-Lagerstätten mit niedriger Temperatur und in karbonatgebundenen Zn-Pb-Lagerstätten. Eine kürzlich durchgeführte Studie ergab, dass mindestens 10.000 t extrahierbares Germanium in den bekannten Zinkvorkommen enthalten sind, insbesondere in den Lagerstätten des Mississippi-Valley-Typs, während mindestens 112.000 t in den Kohlevorkommen zu finden sein werden. Im Jahr 2007 wurden 35 % des Bedarfs durch recyceltes Germanium gedeckt.

Es wird zwar hauptsächlich aus Sphalerit gewonnen, ist aber auch in Silber-, Blei- und Kupfererzen enthalten. Eine weitere Quelle für Germanium ist die Flugasche von Kraftwerken, die aus germaniumhaltigen Kohlevorkommen befeuert werden. Russland und China nutzen dies als Quelle für Germanium. Die russischen Vorkommen befinden sich im äußersten Osten der Insel Sachalin und nordöstlich von Wladiwostok. Die Vorkommen in China befinden sich hauptsächlich in den Braunkohleminen bei Lincang, Yunnan; Kohle wird auch bei Xilinhaote, Innere Mongolei, abgebaut.

Anwendungen

Eine typische optische Singlemode-Faser. Germaniumoxid ist ein Dotierstoff des Kerns Siliziumdioxid (Element 1).
1. Kern 8 µm
2. Mantel 125 µm
3. Puffer 250 µm
4. Mantel 400 µm

Die Hauptverwendungszwecke für Germanium im Jahr 2007 wurden weltweit wie folgt geschätzt: 35 % für die Faseroptik, 30 % für die Infrarotoptik, 15 % für Polymerisationskatalysatoren und 15 % für elektronische und solarelektrische Anwendungen. Die verbleibenden 5 % wurden in Bereichen wie Leuchtstoffe, Metallurgie und Chemotherapie verwendet.

Optik

Die bemerkenswerten Eigenschaften von Germanium (GeO2) sind sein hoher Brechungsindex und seine geringe optische Dispersion. Dadurch eignet es sich besonders gut für Weitwinkel-Kameraobjektive, Mikroskopie und als Kernstück von Glasfasern. Es hat Titandioxid als Dotierstoff für Siliziumdioxidfasern ersetzt, wodurch die anschließende Wärmebehandlung, die die Fasern spröde macht, entfällt. Ende 2002 verbrauchte die faseroptische Industrie 60 % des jährlichen Germaniumverbrauchs in den Vereinigten Staaten, was jedoch weniger als 10 % des weltweiten Verbrauchs entspricht. GeSbTe ist ein Phasenwechselmaterial, das wegen seiner optischen Eigenschaften verwendet wird, z. B. für wiederbeschreibbare DVDs.

Da Germanium im infraroten Wellenlängenbereich transparent ist, ist es ein wichtiges optisches Material für den Infrarotbereich, das sich leicht zu Linsen und Fenstern schneiden und polieren lässt. Es wird vor allem als Frontoptik in Wärmebildkameras verwendet, die im Bereich von 8 bis 14 Mikrometern für die passive Wärmebildtechnik und für die Erkennung von Hotspots bei militärischen Anwendungen, mobilen Nachtsichtgeräten und bei der Brandbekämpfung arbeiten. Es wird in Infrarotspektroskopen und anderen optischen Geräten verwendet, die extrem empfindliche Infrarotdetektoren erfordern. Es hat einen sehr hohen Brechungsindex (4,0) und muss mit Antireflexionsmitteln beschichtet werden. Eine sehr harte Spezial-Antireflexionsbeschichtung aus diamantähnlichem Kohlenstoff (DLC) mit einem Brechungsindex von 2,0 ist besonders gut geeignet und erzeugt eine diamantharte Oberfläche, die vielen Umwelteinflüssen standhält.

Elektronik

Solarmodule auf Solartrackern

Silizium-Germanium-Legierungen entwickeln sich rasch zu einem wichtigen Halbleitermaterial für integrierte Hochgeschwindigkeitsschaltungen. Schaltkreise, die die Eigenschaften von Si-SiGe-Verbindungen nutzen, können viel schneller sein als solche, die nur Silizium verwenden. Silizium-Germanium beginnt, Galliumarsenid (GaAs) in drahtlosen Kommunikationsgeräten zu ersetzen. Die SiGe-Chips mit Hochgeschwindigkeitseigenschaften können mit den kostengünstigen, gut etablierten Produktionstechniken der Siliziumchip-Industrie hergestellt werden.

Solarpaneele sind ein wichtiger Einsatzbereich von Germanium. Germanium ist das Trägermaterial der Wafer für hocheffiziente photovoltaische Zellen mit Mehrfachübergängen für Weltraumanwendungen. LEDs mit hoher Helligkeit, die für Autoscheinwerfer und die Hintergrundbeleuchtung von LCD-Bildschirmen verwendet werden, sind eine wichtige Anwendung.

Da Germanium und Galliumarsenid sehr ähnliche Gitterkonstanten haben, können Germanium-Substrate zur Herstellung von Galliumarsenid-Solarzellen verwendet werden. Die Mars Exploration Rover und mehrere Satelliten verwenden Galliumarsenid-auf-Germanium-Zellen mit Dreifachübergang.

Germanium-auf-Isolator-Substrate werden als möglicher Ersatz für Silizium auf miniaturisierten Chips angesehen. Weitere Anwendungen in der Elektronik sind Leuchtstoffe in Leuchtstofflampen und Festkörper-Leuchtdioden (LED). Germaniumtransistoren werden immer noch in einigen Effektpedalen von Musikern verwendet, die den unverwechselbaren Klangcharakter des „Fuzz“-Tons aus der frühen Rock’n’Roll-Ära reproduzieren wollen, vor allem im Dallas Arbiter Fuzz Face.

Andere Verwendungen

Eine PET-Flasche

Germaniumdioxid wird auch in Katalysatoren für die Polymerisation bei der Herstellung von Polyethylenterephthalat (PET) verwendet. Die hohe Brillanz dieses Polyesters wird vor allem für die in Japan vermarkteten PET-Flaschen bevorzugt. In den Vereinigten Staaten wird Germanium nicht für Polymerisationskatalysatoren verwendet.

Aufgrund der Ähnlichkeit zwischen Siliziumdioxid (SiO2) und Germaniumdioxid (GeO2) kann die stationäre Phase aus Siliziumdioxid in einigen Gaschromatographiesäulen durch GeO2 ersetzt werden.

In den letzten Jahren wurde Germanium zunehmend in Edelmetalllegierungen verwendet. In Sterlingsilberlegierungen beispielsweise verringert es den Feuerstein, erhöht die Anlaufbeständigkeit und verbessert die Ausscheidungshärtung. Eine anlaufsichere Silberlegierung mit dem Markennamen Argentium enthält 1,2 % Germanium.

Halbleiterdetektoren aus hochreinem Germanium-Einkristall können Strahlungsquellen präzise identifizieren – zum Beispiel in der Flughafensicherheit. Germanium ist nützlich für Monochromatoren für Beamlines, die in der Einkristall-Neutronenstreuung und der Synchrotron-Röntgenbeugung eingesetzt werden. Das Reflexionsvermögen hat bei Neutronen- und Hochenergie-Röntgenanwendungen Vorteile gegenüber Silizium. Kristalle aus hochreinem Germanium werden in Detektoren für die Gammaspektroskopie und die Suche nach dunkler Materie verwendet. Germaniumkristalle werden auch in Röntgenspektrometern für die Bestimmung von Phosphor, Chlor und Schwefel verwendet.

Germanium entwickelt sich zu einem wichtigen Material für die Spintronik und spinbasierte Quantencomputeranwendungen. Im Jahr 2010 haben Forscher den Spintransport bei Raumtemperatur nachgewiesen, und vor kurzem wurde gezeigt, dass Donorelektronenspins in Germanium sehr lange Kohärenzzeiten haben.

Bilder für Kinder

• 

  Dmitri Mendelejew

• 

  Proben von Germaniumverbindungen, hergestellt von Clemens Winkler, Entdecker des Elements