Germaniumfeiten voor kinderen

Een stukje germanium

Germanium is een scheikundig element. Het chemische symbool is Ge. Het atoomnummer is 32. Het werd ontdekt door Clemens Winkler. Het is een glanzende, harde, zilverwitte metalloïde. De chemie van germanium lijkt sterk op die van tin. Germanium vormt een groot aantal organometaalverbindingen. Het is een belangrijk halfgeleidermateriaal dat in transistoren wordt gebruikt.

Productie

Renieriet

In 2011 werd wereldwijd ongeveer 118 ton germanium geproduceerd, voornamelijk in China (80 ton), Rusland (5 ton) en de Verenigde Staten (3 ton). Germanium wordt teruggewonnen als bijproduct uit zinkertsen met zinkhaleriet, waar het geconcentreerd is in hoeveelheden tot 0,3%, vooral uit sedimentgehosteerde, massieve Zn-Pb-Cu(-Ba)-afzettingen bij lage temperatuur en uit carbonaatgehoste Zn-Pb-afzettingen. Uit een recente studie is gebleken dat ten minste 10.000 ton winbaar germanium aanwezig is in bekende zinkreserves, met name in afzettingen van het Mississippi-Valley-type, terwijl ten minste 112.000 ton zal worden gevonden in steenkoolreserves. In 2007 werd 35% van de vraag gedekt door gerecycleerd germanium.

Het wordt voornamelijk geproduceerd uit sfaleriet, maar het wordt ook gevonden in zilver-, lood- en koperertsen. Een andere bron van germanium is vliegas van elektriciteitscentrales die worden gestookt met germaniumhoudende steenkoollagen. Rusland en China gebruiken dit als bron voor germanium. De Russische voorraden bevinden zich in het uiterste oosten van het eiland Sachalin, en ten noordoosten van Vladivostok. De afzettingen in China bevinden zich voornamelijk in de bruinkoolmijnen bij Lincang, Yunnan; steenkool wordt ook gewonnen bij Xilinhaote, Binnen-Mongolië.

Toepassingen

Een typische single-mode optische vezel. Germaniumoxide is een doteermiddel van de silica kern (punt 1).
1. Kern 8 µm
2. Cladding 125 µm
3. Buffer 250 µm
4. Mantel 400 µm

De belangrijkste eindtoepassingen voor germanium in 2007, wereldwijd, werden geschat op: 35% voor glasvezeloptica, 30% infraroodoptica, 15% polymerisatiekatalysatoren, en 15% elektronica en zonne-elektrische toepassingen. De resterende 5% werd gebruikt voor fosforen, metallurgie en chemotherapie.

Optica

De opmerkelijke eigenschappen van germania (GeO2) zijn de hoge brekingsindex en de lage optische dispersie. Deze maken het bijzonder nuttig voor groothoek-cameralenzen, microscopie, en het kerngedeelte van optische vezels. Het heeft titania vervangen als doteermiddel voor siliciumdioxidevezels, waardoor de daaropvolgende warmtebehandeling die de vezels broos maakte, overbodig is geworden. Eind 2002 verbruikte de vezeloptica-industrie 60% van het jaarlijkse germaniumverbruik in de Verenigde Staten, maar dit is minder dan 10% van het wereldwijde verbruik. GeSbTe is een faseveranderingsmateriaal dat wordt gebruikt voor zijn optische eigenschappen, zoals die welke worden gebruikt in herschrijfbare DVD’s.

Omdat germanium doorzichtig is in de infrarode golflengten, is het een belangrijk infrarood optisch materiaal dat gemakkelijk kan worden gesneden en gepolijst in lenzen en vensters. Het wordt vooral gebruikt als frontoptiek in warmtebeeldcamera’s die werken in het 8 tot 14 micron bereik voor passieve warmtebeelden en voor hot-spot detectie in militaire, mobiele nachtzicht, en brandbestrijdingstoepassingen. Het wordt gebruikt in infraroodspectroscopen en andere optische apparatuur die uiterst gevoelige infrarooddetectoren vereisen. Het heeft een zeer hoge brekingsindex (4,0) en moet worden gecoat met antireflectiemiddelen. Met name een zeer harde speciale antireflectiecoating van diamantachtige koolstof (DLC), brekingsindex 2,0, is een goede match en levert een diamanthard oppervlak op dat bestand is tegen veel omgevingsmisbruik.

Elektronica

Zonnepanelen gemonteerd op zonnetrackers

Silicium-germaniumlegeringen worden in hoog tempo een belangrijk halfgeleidermateriaal voor geïntegreerde schakelingen met hoge snelheid. Schakelingen die gebruik maken van de eigenschappen van Si-SiGe juncties kunnen veel sneller zijn dan schakelingen die alleen silicium gebruiken. Silicium-germanium begint galliumarsenide (GaAs) te vervangen in draadloze communicatieapparatuur. De SiGe-chips, met hoge-snelheidseigenschappen, kunnen worden gemaakt met goedkope, gevestigde productietechnieken van de silicium-chipindustrie.

Zonnepanelen zijn een belangrijke toepassing van germanium. Germanium is het substraat van de wafers voor hoogefficiënte fotovoltaïsche cellen met meerdere functies voor toepassingen in de ruimte. LED’s met hoge helderheid, die worden gebruikt voor koplampen van auto’s en voor achtergrondverlichting van LCD-schermen, zijn een belangrijke toepassing.

Omdat germanium en galliumarsenide zeer vergelijkbare roosterconstanten hebben, kunnen germaniumsubstraten worden gebruikt om galliumarsenidezonnecellen te maken. De Mars Exploration Rovers en verschillende satellieten gebruiken drievoudige junctie galliumarsenide op germaniumcellen.

Germanium-op-isolatorsubstraten worden gezien als een potentiële vervanging voor silicium op geminiaturiseerde chips. Andere toepassingen in de elektronica zijn fosforen in fluorescentielampen en solid-state light-emitting diodes (LEDs). Germaniumtransistors worden nog steeds gebruikt in sommige effectpedalen door muzikanten die het kenmerkende tonale karakter van de “fuzz”-toon uit de vroege rock and roll-periode willen reproduceren, met name de Dallas Arbiter Fuzz Face.

Andere toepassingen

Een PET-fles

Germaniumdioxide wordt ook gebruikt in katalysatoren voor polymerisatie bij de productie van polyethyleentereftalaat (PET). De hoge glans van dit polyester wordt vooral begunstigd voor PET-flessen die in Japan op de markt worden gebracht. In de Verenigde Staten wordt germanium niet gebruikt voor polymerisatiekatalysatoren.

Door de gelijkenis tussen silica (SiO2) en germaniumdioxide (GeO2) kan de stationaire fase van silica in sommige gaschromatografiekolommen worden vervangen door GeO2.

De laatste jaren wordt germanium steeds meer gebruikt in edelmetaallegeringen. In zilverlegeringen, bijvoorbeeld, vermindert het aanbranden, verhoogt het de weerstand tegen aanslag, en verbetert het de precipitatieharding. Een aanslagbestendige zilverlegering, Argentium genaamd, bevat 1,2% germanium.

Semiconductordetectoren gemaakt van eenkristal-hoogzuiver germanium kunnen stralingsbronnen nauwkeurig identificeren-bijvoorbeeld in de luchthavenbeveiliging. Germanium is nuttig voor monochromatoren voor bundellijnen die worden gebruikt bij monokristallijne neutronenverstrooiing en synchrotron röntgendiffractie. De reflectiviteit heeft voordelen ten opzichte van silicium bij neutronen- en hoge-energie röntgentoepassingen. Kristallen van zeer zuiver germanium worden gebruikt in detectoren voor gammaspectroscopie en het zoeken naar donkere materie. Germaniumkristallen worden ook gebruikt in röntgenspectrometers voor de bepaling van fosfor, chloor en zwavel.

Germanium is in opkomst als een belangrijk materiaal voor spintronica en spingebaseerde quantumcomputertoepassingen. In 2010 toonden onderzoekers spintransport bij kamertemperatuur aan en meer recent is aangetoond dat donorelektronspins in germanium zeer lange coherentietijden hebben.

Beelden voor kinderen

• 

  Dmitri Mendelejev

• 

  Monsters van germaniumverbindingen, bereid door Clemens Winkler, ontdekker van het element