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O germânio é um metal semicondutor de cor prateada raro que é usado em tecnologia de infravermelho, cabos de fibra ótica e células solares.
Propriedades
- Símbolo atômico: ge
- Número Atômico: 32
- Categoria do Elemento: Metaloide
- Densidade: 5,323 g / cm3
- Ponto de fusão: 1720,85 ° F (938,25 ° C)
- Ponto de ebulição: 5131 ° F (2833 ° C)
- Dureza de Mohs: 6.0
Características
Tecnicamente, o germânio é classificado como metalóide ou semi-metal. Um de um grupo de elementos que possuem propriedades de metais e não-metais.
Em sua forma metálica, o germânio é prateado, duro e quebradiço.
As características únicas do germânio incluem sua transparência para a radiação eletromagnética do infravermelho próximo (em comprimentos de onda entre 1600-1800 nanômetros), seu alto índice de refração e sua baixa dispersão ótica.
O metalóide também é intrinsecamente semicondutivo.
História
Demitri Mendeleev, o pai da tabela periódica, previu a existência do elemento número 32, que ele chamou de ekasilicon , em 1869. Dezessete anos depois, o químico Clemens A. Winkler descobriu e isolou o elemento da rara argirrita mineral (Ag8GeS6). Ele nomeou o elemento depois de sua terra natal, a Alemanha.
Durante a década de 1920, a pesquisa das propriedades elétricas do germânio resultou no desenvolvimento de germânio cristalino de alta pureza. O germânio de cristal único foi usado como diodos de retificação em receptores de radar de microondas durante a Segunda Guerra Mundial.
O primeiro pedido comercial de germânio veio após a guerra, após a invenção dos transistores por John Bardeen, Walter Brattain e William Shockley no Bell Labs em dezembro de 1947.
Nos anos seguintes, os transistores contendo germânio encontraram o caminho para equipamentos de comutação telefônica, computadores militares, aparelhos auditivos e rádios portáteis.
As coisas começaram a mudar depois de 1954, quando Gordon Teal, da Texas Instruments, inventou um transistor de silício . Os transistores de germânio tinham uma tendência a falhar em altas temperaturas, um problema que poderia ser resolvido com o silício.
Até a Teal, ninguém havia sido capaz de produzir silício com pureza suficiente para substituir o germânio, mas depois de 1954 o silício começou a substituir o germânio em transistores eletrônicos e, em meados da década de 1960, os transistores de germânio eram praticamente inexistentes.
Novas aplicações estavam por vir. O sucesso do germânio nos primeiros transistores levou a mais pesquisas e à realização das propriedades de infravermelho do germânio. Em última análise, isso resultou no metalóide sendo usado como um componente-chave das lentes e janelas de infravermelho (IR).
As primeiras missões de exploração espacial da Voyager, lançadas na década de 1970, dependiam da energia produzida pelas células fotovoltaicas de silício-germânio (SiGe). Os PVCs à base de germânio ainda são essenciais para as operações de satélite.
O desenvolvimento e expansão ou redes de fibra ótica na década de 1990 levaram ao aumento da demanda por germânio, que é usado para formar o núcleo de fibra ótica.
Em 2000, PVCs de alta eficiência e diodos emissores de luz (LEDs), dependentes de substratos de germânio, haviam se tornado grandes consumidores do elemento.
Produção
Como a maioria dos metais menores, o germânio é produzido como subproduto do refino de metais básicos e não é extraído como material primário.
O germânio é mais comumente produzido a partir de minérios de zinco esfalerita, mas também é conhecido por ser extraído do carvão de cinzas volantes (produzido a partir de usinas a carvão) e alguns minérios de cobre .
Independentemente da fonte de material, todos os concentrados de germânio são primeiro purificados usando um processo de cloração e destilação que produz tetracloreto de germânio (GeCl4). O tetracloreto de germânio é então hidrolisado e seco, produzindo dióxido de germânio (GeO2). O óxido é então reduzido com hidrogénio para formar pó metálico de germânio.
O pó de germânio é lançado em barras a temperaturas acima de 1738,85 ° F (938,25 ° C).
Refinando a zona (um processo de fusão e resfriamento), as barras isolam e removem as impurezas e, em última análise, produzem barras de germânio de alta pureza. Metal de germânio comercial é muitas vezes mais de 99,999% puro.
O germânio refinado na zona pode ainda ser transformado em cristais, que são cortados em pedaços finos para uso em semicondutores e lentes ópticas.
A produção global de germânio foi estimada pelo US Geological Survey (USGS) em cerca de 120 toneladas métricas em 2011 (continha germânio).
Estima-se que 30% da produção anual de germânio do mundo é reciclada a partir de materiais de sucata, como lentes de infravermelho retiradas. Estima-se que 60% do germânio usado em sistemas de infravermelho seja agora reciclado.
Os maiores países produtores de germânio são liderados pela China, onde dois terços de todo o germânio foram produzidos em 2011. Outros grandes produtores incluem o Canadá, a Rússia, os EUA e a Bélgica.
Os principais produtores de germânio incluem a Teck Resources Ltd. , a Yunnan Lincang Xinyuan Germânio Industrial Co., a Umicore e a Nanjing Germanium Co.
Aplicações
De acordo com o USGS, as aplicações de germânio podem ser classificadas em 5 grupos (seguidos por uma porcentagem aproximada do consumo total):
- Ótica IR - 30%
- Fibra Óptica - 20%
- Tereftalato de polietileno (PET) - 20%
- Eletrônica e solar - 15%
- Fósforos, metalurgia e orgânico - 5%
Os cristais de germânio são cultivados e formados em lentes e janelas para sistemas ópticos de imagem térmica ou IV. Cerca de metade de todos esses sistemas, que dependem muito da demanda militar, incluem o germânio.
Os sistemas incluem pequenos dispositivos de mão e montados em armas, bem como sistemas montados em veículos aéreos, terrestres e marítimos. Esforços têm sido feitos para aumentar o mercado comercial de sistemas IR baseados em germânio, como em carros de alta tecnologia, mas aplicações não militares ainda respondem por apenas cerca de 12% da demanda.
O tetracloreto de germânio é usado como um dopante - ou aditivo - para aumentar o índice de refração no núcleo de fibra de sílica das linhas de fibra ótica. Ao incorporar o germânio, a perda de sinal é evitada e pode ser evitada.
Formas de germânio também são usadas em substratos para produzir PVCs tanto para geração de energia espacial (satélites) quanto terrestre.
Substratos de germânio formam uma camada em sistemas multicamadas que também usam gálio, fosforeto de índio e arseneto de gálio. Esses sistemas, conhecidos como fotovoltaicos concentrados (CPVs) devido ao uso de lentes concentradoras que ampliam a luz solar antes de serem convertidos em energia, têm altos níveis de eficiência, mas são mais caros de fabricar do que o silício cristalino ou o cobre-índio-gálio. células diselenide (CIGS).
Cerca de 17 toneladas de dióxido de germânio são usadas como catalisador de polimerização na produção de plásticos PET a cada ano. O plástico PET é usado principalmente em alimentos, bebidas e líquidos.
Apesar de seu fracasso como um transistor na década de 1950, o germânio é agora usado em conjunto com o silício em componentes de transistores para alguns telefones celulares e dispositivos sem fio. Os transistores SiGe têm maiores velocidades de comutação e usam menos energia do que a tecnologia baseada em silício. Um aplicativo de uso final para chips SiGe é em sistemas de segurança automotiva.
Outros usos do germânio na eletrônica incluem os chips de memória de fase, que estão substituindo a memória flash em muitos dispositivos eletrônicos devido a seus benefícios de economia de energia, bem como nos substratos usados na produção de LEDs.
Fontes:
USGS. Anuário de minerais de 2010: germânio. David E. Guberman.
http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/germanium/
Associação Comercial de Metais Menores (MMTA). Germânio
http://www.mmta.co.uk/metals/Ge/
Museu CK722. Jack Ward
http://www.ck722museum.com/