Germanium faktoja lapsille

Pala germaniumia

Germanium on kemiallinen alkuaine. Sen kemiallinen merkki on Ge. Sen järjestysluku on 32. Sen löysi Clemens Winkler. Se on kiiltävä, kova, hopeanvalkoinen metalloidi. Germaniumin kemia muistuttaa tinan kemiaa. Germanium muodostaa suuren määrän metalliorgaanisia yhdisteitä. Se on tärkeä puolijohdemateriaali, jota käytetään transistoreissa.

Tuotanto

Renieriitti

Germaniumia tuotettiin vuonna 2011 maailmanlaajuisesti noin 118 tonnia, enimmäkseen Kiinassa (80 t), Venäjällä (5 t) ja Yhdysvalloissa (3 t). Germaniumia otetaan talteen sivutuotteena sfaleriittisinkkimalmeista, joissa sitä on konsentroituneena jopa 0,3 %, erityisesti matalan lämpötilan sedimenttikantaisista massiivisista Zn-Pb-Cu(-Ba)-esiintymistä ja karbonaattikantaisista Zn-Pb-esiintymistä. Hiljattain tehdyssä tutkimuksessa todettiin, että tunnetuissa sinkkivarannoissa, erityisesti Mississippi-Valley-tyyppisissä esiintymissä, on vähintään 10 000 tonnia talteenotettavaa germaniumia, kun taas hiilivarannoissa on vähintään 112 000 tonnia. Vuonna 2007 35 % kysynnästä tyydytettiin kierrätetyllä germaniumilla.

Kun sitä tuotetaan pääasiassa sfaleriitista, sitä esiintyy myös hopea-, lyijy- ja kuparimalmeissa. Toinen germaniumin lähde on germaniumia sisältävistä hiiliesiintymistä polttoaineenaan käyttävien voimalaitosten lentotuhka. Venäjä ja Kiina käyttivät tätä germaniumin lähteenä. Venäjän esiintymät sijaitsevat Kaukoidässä Sahalinin saarella ja Vladivostokin koillispuolella. Kiinan esiintymät sijaitsevat pääasiassa ruskohiilikaivoksissa Lincangin lähellä Yunnanissa; hiiltä louhitaan myös Xilinhaoten lähellä Sisä-Mongoliassa.

Sovellukset

Tyypillinen yksimuotoinen optinen kuitu. Germaniumoksidi on ytimen piidioksidin dopantti (kohta 1).
1. Ydin 8 µm
2. Vaippa 125 µm
3. Puskuri 250 µm
4. Vaippa 400 µm

Germaniumin tärkeimmiksi loppukäyttökohteiksi arvioitiin vuonna 2007 maailmanlaajuisesti: 35 % kuituoptiikkaan, 30 % infrapunaoptiikkaan, 15 % polymerisaatiokatalyytteihin ja 15 % elektroniikkaan ja aurinkosähkösovelluksiin. Loput 5 % käytettiin esimerkiksi fosforiin, metallurgiaan ja kemoterapiaan.

Optiikka

Germanian (GeO2) merkittäviä ominaisuuksia ovat sen korkea taitekerroin ja alhainen optinen dispersio. Nämä tekevät siitä erityisen käyttökelpoisen laajakulmakameran linsseissä, mikroskoopiassa ja optisten kuitujen ydinosassa. Se on korvannut titaanin piidioksidikuitujen lisäaineena, jolloin kuituja haurastava lämpökäsittely on poistunut. Vuoden 2002 lopussa kuituoptiikkateollisuus käytti 60 prosenttia germaniumin vuotuisesta käytöstä Yhdysvalloissa, mutta tämä on alle 10 prosenttia maailmanlaajuisesta kulutuksesta. GeSbTe on faasimuutosmateriaali, jota käytetään sen optisten ominaisuuksien vuoksi, kuten uudelleenkirjoitettavissa DVD-levyissä.

Koska germanium on läpinäkyvää infrapuna-aallonpituuksilla, se on tärkeä infrapunaoptinen materiaali, jota voidaan helposti leikata ja kiillottaa linsseiksi ja ikkunoiksi. Sitä käytetään erityisesti etuoptikkona lämpökameroissa, jotka toimivat 8-14 mikronin alueella passiivisessa lämpökuvauksessa ja kuumien pisteiden havaitsemisessa sotilas-, liikkuvissa yökuvaus- ja palontorjuntasovelluksissa. Sitä käytetään infrapunaspektroskoopeissa ja muissa optisissa laitteissa, joissa tarvitaan erittäin herkkiä infrapuna-ilmaisimia. Sen taitekerroin on erittäin korkea (4,0), ja se on pinnoitettava heijastuksenestoaineilla. Erityisesti timantinkaltaisesta hiilestä (DLC, diamond-like carbon) valmistettu erittäin kova erikoisheijastuksenestopinnoite, jonka taitekerroin on 2,0, sopii hyvin tähän tarkoitukseen ja tuottaa timantinkovan pinnan, joka kestää paljon ympäristökäsittelyä.

Elektroniikka

Aurinkoputkiin asennetut aurinkomoduulit

Piistä ja germaniumista valmistetuista metalliseoksista on tulossa erittäin nopeasti nopea integroitujen suurnopeuspiirejä valmistavien puolijohteiden tärkeä materiaali. Si-SiGe-liitosten ominaisuuksia hyödyntävät piirit voivat olla paljon nopeampia kuin pelkkää piitä käyttävät piirit. Pii-germanium alkaa korvata galliumarsenidia (GaAs) langattomissa viestintälaitteissa. SiGe-sirut, joilla on nopeat ominaisuudet, voidaan valmistaa piisiruteollisuuden vakiintuneilla ja edullisilla tuotantotekniikoilla.

Aurinkopaneelit ovat merkittävä germaniumin käyttökohde. Germanium on avaruuskäyttöön tarkoitettujen korkean hyötysuhteen moniliitosvalosähkökennojen kiekkojen substraatti. Autojen ajovaloissa ja LCD-näyttöjen taustavalaistuksessa käytettävät kirkkaat LEDit ovat tärkeä sovellus.

Koska germaniumilla ja galliumarsenidilla on hyvin samankaltaiset hilavakiot, germaniumsubstraatteja voidaan käyttää galliumarsenidiaurinkokennojen valmistukseen. Mars Exploration Rovers -matkustajissa ja useissa satelliiteissa käytetään kolmoisliitoksella varustettuja galliumarsenidi-germanium-kennoja.

Germanium-on-insulaattorialustoja pidetään potentiaalisena pii-kennojen korvaajana miniatyrisoiduissa siruissa. Muita käyttökohteita elektroniikassa ovat muun muassa loistelamppujen fosforit ja kiinteät valodiodit (LEDit). Muusikot, jotka haluavat jäljitellä varhaisen rock’n’rollin aikakauden ”fuzz”-äänen luonteen, käyttävät edelleen germaniumtransistoreja joissakin efektipedaaleissa, erityisesti Dallas Arbiter Fuzz Facessa.

Muut käyttötarkoitukset

PET-pullo

Germaniumdioksidia käytetään myös polymerisaatiokatalysaattoreissa polyeteenitereftalaatin (PET) valmistuksessa. Tämän polyesterin suurta kirkkautta suositaan erityisesti Japanissa markkinoitavissa PET-pulloissa. Yhdysvalloissa germaniumia ei käytetä polymerisaatiokatalyytteihin.

Siilidioksidin (SiO2) ja germaniumdioksidin (GeO2) samankaltaisuuden vuoksi joidenkin kaasukromatografiakolonnien piidioksidin stationäärifaasi voidaan korvata GeO2:lla.

Germaniumia on viime vuosina käytetty enenevässä määrin jalometalliseoksissa. Esimerkiksi sterlinghopeaseoksissa se vähentää tulenkestävyyttä, lisää tahraantumiskestävyyttä ja parantaa saostuskovettumista. Argentium-nimellä suojattu hopeaseos sisältää 1,2 % germaniumia.

Yksikiteisestä, erittäin puhtaasta germaniumista valmistetuilla puolijohdeilmaisimilla voidaan tarkasti tunnistaa säteilylähteet esimerkiksi lentokenttien turvatarkastuksissa. Germanium on käyttökelpoinen yksikiteisessä neutronisironnassa ja synkrotroniröntgendiffraktiossa käytettävien sädelinjojen monokromaattoreissa. Heijastuskyvyllä on etuja piihin verrattuna neutroni- ja korkean energian röntgensäteilysovelluksissa. Erittäin puhtaita germaniumkiteitä käytetään gammaspektroskopian detektoreissa ja pimeän aineen etsinnässä. Germanium-kiteitä käytetään myös röntgenspektrometreissä fosforin, kloorin ja rikin määrittämiseen.

Germanium on nousemassa tärkeäksi materiaaliksi spintroniikan ja spinipohjaisen kvanttilaskennan sovelluksissa. Vuonna 2010 tutkijat osoittivat huoneenlämpötilassa tapahtuvan spininkuljetuksen, ja äskettäin on osoitettu, että germaniumissa olevilla donorielektronien spineillä on hyvin pitkät koherenssiajat.

Cd Sd Pd

Cn

Kuvia lapsille

• 

  Dmitri Mendelejev

• 

  Näytteitä Clemens Winklerin valmistamista germaniumyhdisteistä, alkuaineen löytäjä