Faits sur le germanium pour les enfants

Un morceau de germanium

Le germanium est un élément chimique. Son symbole chimique est Ge. Son numéro atomique est 32. Il a été découvert par Clemens Winkler. C’est un métalloïde brillant, dur et blanc argenté. La chimie du germanium est assez semblable à celle de l’étain. Le germanium forme un grand nombre de composés organométalliques. C’est un important matériau semi-conducteur utilisé dans les transistors.

Production

Renierite

Environ 118 tonnes de germanium ont été produites en 2011 dans le monde, principalement en Chine (80 t), en Russie (5 t) et aux États-Unis (3 t). Le germanium est récupéré comme sous-produit des minerais de zinc à sphalérite où il est concentré dans des quantités pouvant atteindre 0,3 %, notamment dans les gisements de Zn-Pb-Cu(-Ba) massifs hébergés dans des sédiments à basse température et dans les gisements de Zn-Pb hébergés dans des carbonates. Une étude récente a révélé qu’au moins 10 000 t de germanium extractible sont contenues dans les réserves de zinc connues, notamment celles qui sont hébergées par des gisements de type Mississippi-Valley, tandis qu’au moins 112 000 t seront trouvées dans les réserves de charbon. En 2007, 35% de la demande était satisfaite par du germanium recyclé.

S’il est produit principalement à partir de la sphalérite, on le trouve également dans les minerais d’argent, de plomb et de cuivre. Une autre source de germanium est constituée par les cendres volantes des centrales électriques alimentées par des gisements de charbon qui contiennent du germanium. La Russie et la Chine s’en servent comme source de germanium. Les gisements de la Russie sont situés à l’extrême est de l’île de Sakhaline, et au nord-est de Vladivostok. Les gisements de la Chine sont situés principalement dans les mines de lignite près de Lincang, au Yunnan ; le charbon est également exploité près de Xilinhaote, en Mongolie intérieure.

Applications

Une fibre optique monomode typique. L’oxyde de germanium est un dopant de la silice du cœur (élément 1).
1. Cœur 8 µm
2. Gaine 125 µm
3. Tampon 250 µm
4. Gaine 400 µm

Les principales utilisations finales du germanium en 2007, dans le monde, ont été estimées à : 35% pour les fibres optiques, 30% pour l’optique infrarouge, 15% pour les catalyseurs de polymérisation et 15% pour les applications électroniques et solaires électriques. Les 5% restants sont allés dans des utilisations telles que les phosphores, la métallurgie et la chimiothérapie.

Optique

Les propriétés notables du germanium (GeO2) sont son indice de réfraction élevé et sa faible dispersion optique. Elles le rendent particulièrement utile pour les lentilles d’appareils photo grand angle, la microscopie et la partie centrale des fibres optiques. Il a remplacé le dioxyde de titane comme dopant pour la fibre de silice, éliminant le traitement thermique ultérieur qui rendait les fibres fragiles. Fin 2002, l’industrie des fibres optiques consommait 60 % de l’utilisation annuelle de germanium aux États-Unis, mais cela représente moins de 10 % de la consommation mondiale. Le GeSbTe est un matériau à changement de phase utilisé pour ses propriétés optiques, comme celui utilisé dans les DVD réinscriptibles.

Parce que le germanium est transparent dans les longueurs d’onde infrarouges, c’est un matériau optique infrarouge important qui peut être facilement coupé et poli en lentilles et fenêtres. Il est particulièrement utilisé comme optique avant dans les caméras thermiques fonctionnant dans la gamme de 8 à 14 microns pour l’imagerie thermique passive et pour la détection des points chauds dans les applications militaires, de vision nocturne mobile et de lutte contre l’incendie. Il est utilisé dans les spectroscopes infrarouges et autres équipements optiques qui nécessitent des détecteurs infrarouges extrêmement sensibles. Il possède un indice de réfraction très élevé (4,0) et doit être revêtu d’agents anti-reflets. En particulier, un revêtement antireflet spécial très dur en carbone de type diamant (DLC), d’indice de réfraction 2,0, convient bien et produit une surface dure comme le diamant qui peut résister à de nombreux abus environnementaux.

Électronique

Modules solaires montés sur des suiveurs solaires

Les alliages silicium-germanium deviennent rapidement un matériau semi-conducteur important pour les circuits intégrés à grande vitesse. Les circuits utilisant les propriétés des jonctions Si-SiGe peuvent être beaucoup plus rapides que ceux utilisant le silicium seul. Le silicium-germanium commence à remplacer l’arséniure de gallium (GaAs) dans les dispositifs de communication sans fil. Les puces SiGe, aux propriétés rapides, peuvent être fabriquées avec des techniques de production peu coûteuses et bien établies de l’industrie des puces en silicium.

Les panneaux solaires constituent une utilisation majeure du germanium. Le germanium est le substrat des plaquettes pour les cellules photovoltaïques multijonction à haut rendement destinées aux applications spatiales. Les LED à haute luminosité, utilisées pour les phares des automobiles et pour le rétroéclairage des écrans LCD, constituent une application importante.

Comme le germanium et l’arséniure de gallium ont des constantes de réseau très similaires, les substrats de germanium peuvent être utilisés pour fabriquer des cellules solaires à l’arséniure de gallium. Les Mars Exploration Rovers et plusieurs satellites utilisent des cellules d’arséniure de gallium sur germanium à triple jonction.

Les substrats de germanium sur isolant sont considérés comme un remplacement potentiel du silicium sur les puces miniaturisées. Parmi les autres utilisations en électronique, citons les phosphores dans les lampes fluorescentes et les diodes électroluminescentes à semi-conducteurs (LED). Les transistors au germanium sont encore utilisés dans certaines pédales d’effets par les musiciens qui souhaitent reproduire le caractère tonal distinctif de la « fuzz »-tone du début de l’ère du rock and roll, notamment la Dallas Arbiter Fuzz Face.

Autres utilisations

Une bouteille en PET

Le dioxyde de germanium est également utilisé dans les catalyseurs de polymérisation pour la production de polyéthylène téréphtalate (PET). La haute brillance de ce polyester est notamment privilégiée pour les bouteilles en PET commercialisées au Japon. Aux États-Unis, le germanium n’est pas utilisé pour les catalyseurs de polymérisation.

En raison de la similitude entre la silice (SiO2) et le dioxyde de germanium (GeO2), la phase stationnaire de silice dans certaines colonnes de chromatographie en phase gazeuse peut être remplacée par le GeO2.

Ces dernières années, le germanium a connu une utilisation croissante dans les alliages de métaux précieux. Dans les alliages d’argent sterling, par exemple, il réduit le tartre, augmente la résistance au ternissement et améliore le durcissement par précipitation. Un alliage d’argent résistant au ternissement, de marque Argentium, contient 1,2 % de germanium.

Les détecteurs à semi-conducteurs faits de germanium monocristallin de haute pureté peuvent identifier précisément les sources de rayonnement – par exemple dans la sécurité des aéroports. Le germanium est utile pour les monochromateurs des lignes de faisceaux utilisées dans la diffusion des neutrons monocristallins et la diffraction des rayons X par synchrotron. Sa réflectivité présente des avantages par rapport au silicium dans les applications de neutrons et de rayons X à haute énergie. Les cristaux de germanium de haute pureté sont utilisés dans les détecteurs pour la spectroscopie gamma et la recherche de la matière noire. Les cristaux de germanium sont également utilisés dans les spectromètres à rayons X pour la détermination du phosphore, du chlore et du soufre.

Le germanium apparaît comme un matériau important pour les applications de spintronique et d’informatique quantique basée sur le spin. En 2010, les chercheurs ont démontré le transport de spin à température ambiante et plus récemment, il a été démontré que les spins des électrons donneurs dans le germanium ont des temps de cohérence très longs.

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Images pour enfants

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  Dmitri Mendeleev

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  Échantillons de composés de germanium préparés par Clemens Winkler, découvreur de l’élément