Germaniumfakta för barn

En bit germanium

Germanium är ett kemiskt grundämne. Dess kemiska symbol är Ge. Dess atomnummer är 32. Det upptäcktes av Clemens Winkler. Det är en glänsande, hård, silvervit metalloid. Germaniums kemi är ganska lik tenn. Germanium bildar ett stort antal metallorganiska föreningar. Det är ett viktigt halvledarmaterial som används i transistorer.

Produktion

Renierit

Ungefär 118 ton germanium producerades 2011 i hela världen, främst i Kina (80 ton), Ryssland (5 ton) och USA (3 ton). Germanium återvinns som en biprodukt från sphaleritzinkmalmer där det är koncentrerat i så stora mängder som 0,3 %, särskilt från sedimenthärjade, massiva Zn-Pb-Cu(-Ba)-fyndigheter med låg temperatur och karbonathärjade Zn-Pb-fyndigheter. I en nyligen genomförd studie konstaterades att minst 10 000 ton utvinningsbart germanium finns i kända zinkreserver, särskilt de som finns i fyndigheter av Mississippi-Valley-typ, medan minst 112 000 ton kommer att finnas i kolreserver. År 2007 täcktes 35 % av efterfrågan av återvunnet germanium.

Och även om det huvudsakligen produceras från sfalerit finns det också i silver-, bly- och kopparmalmer. En annan källa till germanium är flygaska från kraftverk som drivs av kolfyndigheter som innehåller germanium. Ryssland och Kina använde detta som en källa för germanium. Rysslands fyndigheter ligger längst österut på ön Sakhalin och nordost om Vladivostok. Kinas fyndigheter finns främst i brunkolsgruvorna nära Lincang, Yunnan; kol bryts också nära Xilinhaote, Inre Mongoliet.

Användningar

En typisk optisk fiber med enkelt mode. Germaniumoxid är en dopant i kärnkiseldioxid (punkt 1).
1. Kärnan 8 µm
2. Manteln 125 µm
3. Buffert 250 µm
4. Manteln 400 µm

De viktigaste slutanvändningarna för germanium år 2007, i hela världen, beräknades vara: 35% för fiberoptik, 30% för infraröd optik, 15% för polymeriseringskatalysatorer och 15% för elektronik- och solcellstillämpningar. De återstående 5 % gick till sådana användningsområden som fosforer, metallurgi och kemoterapi.

Optik

De anmärkningsvärda egenskaperna hos germanium (GeO2) är dess höga brytningsindex och dess låga optiska dispersion. Dessa gör den särskilt användbar för vidvinkelkameralinser, mikroskopi och kärnan i optiska fibrer. Det har ersatt titanoxid som dopingmedel för kiseldioxidfibrer, vilket eliminerar den efterföljande värmebehandlingen som gjorde fibrerna spröda. I slutet av 2002 förbrukade fiberoptikindustrin 60 % av den årliga germaniumförbrukningen i Förenta staterna, men det är mindre än 10 % av den globala förbrukningen. GeSbTe är ett fasändringsmaterial som används för sina optiska egenskaper, t.ex. i återskrivningsbara DVD-skivor.

Då germanium är genomskinligt i de infraröda våglängderna är det ett viktigt infrarött optiskt material som lätt kan skäras och poleras till linser och fönster. Det används särskilt som frontoptik i värmekameror som arbetar i intervallet 8-14 mikrometer för passiv värmebildning och för detektering av heta punkter i militära, mobila nattseende- och brandbekämpningstillämpningar. Den används i infraröda spektroskop och annan optisk utrustning som kräver extremt känsliga infraröda detektorer. Den har ett mycket högt brytningsindex (4,0) och måste beläggas med antireflexmedel. Särskilt en mycket hård speciell antireflektionsbeläggning av diamantliknande kol (DLC), brytningsindex 2,0, är en bra matchning och ger en diamanthård yta som kan tåla mycket miljötvång.

Elektronik

Solcellsmoduler monterade på solcellsspårare

Kisel-germaniumlegeringar är snabbt på väg att bli ett viktigt halvledarmaterial för integrerade höghastighetskretsar. Kretsar som utnyttjar egenskaperna hos Si-SiGe-övergångar kan vara mycket snabbare än kretsar som enbart använder kisel. Kisel-germanium börjar ersätta galliumarsenid (GaAs) i trådlös kommunikationsutrustning. SiGe-chipen, med höghastighetsegenskaper, kan tillverkas med billiga, väletablerade produktionstekniker från kiselchipindustrin.

Solpaneler är en viktig användning av germanium. Germanium är substratet för wafers för högeffektiva flerfunktionella solceller med hög verkningsgrad för rymdtillämpningar. Lysdioder med hög ljusstyrka, som används för bilstrålkastare och för att bakgrundsbelysa LCD-skärmar, är en viktig tillämpning.

Då germanium och galliumarsenid har mycket likartade gitterkonstanter kan germaniumsubstrat användas för att tillverka solceller av galliumarsenid. Mars Exploration Rovers och flera satelliter använder tredubbla junction-celler av galliumarsenid på germanium.

Germanium på isolatorsubstrat ses som en potentiell ersättning för kisel i miniatyriserade chips. Andra användningsområden inom elektronik är t.ex. fosforer i fluorescerande lampor och fasta lysdioder (LED). Germaniumtransistorer används fortfarande i vissa effektpedaler av musiker som vill reproducera den distinkta tonala karaktären hos ”fuzz”-tonen från den tidiga rock and roll-eran, framför allt Dallas Arbiter Fuzz Face.

Andra användningsområden

En PET-flaska

Germaniumdioxid används också i katalysatorer för polymerisering vid tillverkning av polyetentereftalat (PET). Den höga briljansen hos denna polyester är särskilt gynnad för PET-flaskor som saluförs i Japan. I USA används inte germanium för polymeriseringskatalysatorer.

På grund av likheten mellan kiseldioxid (SiO2) och germaniumdioxid (GeO2) kan den stationära fasen av kiseldioxid i vissa gaskromatografikolonner ersättas med GeO2.

Under de senaste åren har germanium fått ökad användning i ädelmetalllegeringar. I legeringar av sterlingsilver minskar det till exempel brandskador, ökar motståndskraften mot anlökning och förbättrar utfällningshärdningen. En anlössäker silverlegering med varumärket Argentium innehåller 1,2 % germanium.

Halvledardetektorer tillverkade av högrent germanium i enkristall kan exakt identifiera strålningskällor – till exempel vid säkerhetskontroller på flygplatser. Germanium är användbart för monokromatorer för strålrör som används vid neutronspridning i enkristall och synkrotronröntgendiffraktion. Reflektiviteten har fördelar jämfört med kisel i tillämpningar för neutroner och röntgenstrålar med hög energi. Kristaller av germanium med hög renhet används i detektorer för gammaspektroskopi och i sökandet efter mörk materia. Germaniumkristaller används också i röntgenspektrometrar för bestämning av fosfor, klor och svavel.

Germanium håller på att växa fram som ett viktigt material för spintronik och spinbaserade kvantdatortillämpningar. År 2010 demonstrerade forskare spintransport vid rumstemperatur och på senare tid har donatorelektronspins i germanium visat sig ha mycket långa koherenstider.

.

Bilder för barn

• 

  Dmitri Mendelejev

• 

  Prover av germaniumföreningar framställda av Clemens Winkler, upptäckare av grundämnet