Что такое германий и как его добывают Применение, запасы, перспективы

Когда-то германий был основой полупроводниковой промышленности. Первые транзисторы и диоды делались на основе германия, обеспечив переход от ламповых к полупроводниковым устройствам.

Сейчас германий потерял лидерство в этой области, но остался одним из важных и востребованных редкоземельных элементов.

Что такое германий простыми словами

Германий — химический элемент с символом Ge и атомным номером 32. Это блестящий, хрупкий, серовато-белый металлоид из группы углерода, химически схожий с соседями по группе — кремнием и оловом. Германий был открыт в конце XIX века и назван в честь Германии его первооткрывателем Клеменсом Винклером.

Уникальные свойства германия, такие как полупроводниковые характеристики, коэффициент преломления и способность образовывать стабильные оксиды, делают его ценным элементом.

Где применяют германий и для чего он нужен

Германий используется в нескольких ключевых областях благодаря своим уникальным физическим и химическим свойствам, особенно полупроводниковым характеристикам.

Полупроводниковая промышленность

Германий является важнейшим компонентом в полупроводниковой промышленности. Германий был одним из первых материалов, использовавшихся для изготовления транзисторов и диодов на заре ее развития. Его способность действовать как полупроводник — проводить электричество при одних условиях и изолировать при других — сыграла решающую роль в разработке ранних электронных компонентов.

Изначально германий использовался для производства полупроводников шире, чем кремний, но в итоге кремний победил благодаря более широкому диапазону рабочих температур, а также гораздо более низкой цене. Хотя кремний в значительной степени заменил германий, более высокая подвижность электронов германия делает его ценным для специализированных компонентов, где важна высокая скорость работы.

Германий высокой чистоты используется в детекторах гамма-излучения и рентгеновских лучей. Эти детекторы очень чувствительны и используются в ядерной физике, радиологии и астрофизике. Они работают потому, что германий может эффективно преобразовывать гамма-лучи в электроны и «дырки», которые затем могут быть обнаружены в виде электрического сигнала.

Германий используется при создании составных полупроводников. Его соединяют с такими элементами, как кремний (образуя SiGe), галлий (образуя GaGe) и другими, чтобы получить полупроводники с особыми электронными свойствами, которые нужны для высокоскоростных транзисторов и других современных электронных компонентов. Кремний-германиевые сплавы приобретают все большее значение в полупроводниковой промышленности. SiGe сочетает в себе лучшие свойства кремния и германия и используется в высокоскоростных интегральных схемах, особенно в таких приложениях, как беспроводная связь и волоконная оптика. Эти сплавы обеспечивают более высокую скорость и меньшее энергопотребление по сравнению с чисто кремниевыми устройствами.

Германий может использоваться в качестве материала подложки для эпитаксиального выращивания других полупроводников. Например, в некоторых высокоскоростных и оптоэлектронных приложениях на германиевой пластине выращивается тонкий слой другого полупроводникового материала.

Продолжаются исследования по использованию германия в новых полупроводниковых технологиях. Например, германий изучается при разработке транзисторов нового поколения, таких как туннельные полевые транзисторы (TFET) и компоненты квантовых вычислений.

Волоконная оптика

В волоконной оптике германий часто используется в качестве легирующего элемента в сердцевине оптического волокна. Сердечник обычно изготавливается из диоксида кремния, а добавление небольшого количества диоксида германия (GeO2) увеличивает его коэффициент преломления. Это увеличение показателя преломления необходимо для создания условий полного внутреннего отражения, благодаря которому световые сигналы направляются по волокну без значительных потерь.

В одномодовых волокнах, которые используются для передачи данных на большие расстояния и с высокой скоростью, добавление германия позволяет точно контролировать коэффициент преломления сердцевины. Это важно для того, чтобы волокно поддерживало только один режим распространения света, минимизируя помехи и деградацию сигнала на больших расстояниях.

В многомодовых волокнах с градуированным индексом германий используется для создания постепенного изменения показателя преломления от центра волокна к его внешнему краю. Такой профиль с градиентным индексом помогает уменьшить искажение сигнала, поскольку световые лучи, проходящие по разным путям, приходят на другой конец волокна примерно в одно и то же время.

Волокна, легированные германием, используются в волоконных усилителях, таких как EDFA. Эти усилители жизненно важны в оптических системах связи большой протяженности, поскольку они усиливают сигнал напрямую, без необходимости преобразовывать его обратно в электрический сигнал для усиления.

Легирование германием повышает чувствительность волокна к свету, что делает его полезным в различных сенсорных приложениях. Волоконно-оптические датчики, использующие волокна, легированные германием, могут обнаруживать изменения температуры, давления или деформации, отслеживая изменения светового сигнала.

Также германий прозрачен для инфракрасного света, что делает его важным материалом для инфракрасной оптики. Он используется в тепловизорах, военных системах ночного видения и других системах, требующих обнаружения инфракрасного света.

Солнечные батареи

Германий используется в технологии производства солнечных батарей, в частности, в высокоэффективных многопереходных фотоэлектрических элементах. Эти элементы состоят из нескольких слоев (спаев) различных полупроводниковых материалов, каждый из которых предназначен для поглощения различных участков солнечного спектра. Благодаря использованию нескольких материалов многопереходные элементы могут преобразовывать более широкий диапазон длин волн солнечного света в электричество, достигая более высокого КПД, чем однопереходные элементы.

В типичном трехпереходном солнечном элементе германий выступает в качестве нижнего слоя. Этот слой настроен на поглощение инфракрасной части солнечного спектра. Над ним располагаются другие слои из таких материалов, как арсенид галлия (GaAs) и фосфид индия-галлия (InGaP), которые поглощают видимую и ультрафиолетовую части спектра соответственно.

Германий имеет низкую энергию полосы пропускания по сравнению с кремнием. Это свойство делает его эффективным в поглощении инфракрасного света, который является значительной частью солнечного спектра. Эффективно преобразуя инфракрасный свет в электрическую энергию, германий повышает общую эффективность солнечного элемента.

Кроме того, германий обеспечивает хорошее совпадение решеток многих составных полупроводниковых материалов, используемых в верхних слоях многопереходных элементов. Это означает, что кристаллические структуры различных слоев хорошо выравниваются, сводя к минимуму дефекты, которые могут препятствовать прохождению электрического тока.

Многопереходные элементы на основе германия часто используются в концентраторных фотоэлектрических системах. В таких системах используются линзы или зеркала для фокусировки солнечного света на небольшой высокоэффективный многопереходный элемент. Учитывая высокую стоимость таких элементов, концентрация света уменьшает количество необходимого дорогостоящего материала для элементов, что делает систему более экономичной.

Многопереходные солнечные элементы с германием используются в основном в космической технике (например, на спутниках) и в наземных концентраторных фотоэлектрических системах высокого класса, где эффективность важнее стоимости. Такие элементы достигают значительно более высокого КПД, чем традиционные кремниевые, но при этом более дороги в производстве, что ограничивает их применение специализированными устройствами.

Химическая промышленность

Германий используется в нескольких специализированных областях химической промышленности. Соединения германия, особенно германийорганические соединения, применяются в качестве катализаторов полимеризации некоторых пластмасс. Эти катализаторы помогают контролировать структуру полимера, влияя на его свойства.

Соединения германия используются в качестве промежуточных при синтезе других химических продуктов. Их уникальная реакционная способность и характеристики связи делают их пригодными для некоторых видов органического синтеза.

Германий используется в химической промышленности не так широко, как некоторые другие элементы, из-за его относительной дефицитности и высокой стоимости, но там, где он применяется, он часто играет незаменимую роль.

Металлургия

Германий включают в различные сплавы, чтобы улучшить их свойства. Так, его добавляют в серебро для создания сплавов стерлингового серебра, которые отличаются повышенной устойчивостью к потускнению и долговечностью. Германий образует на поверхности тонкий, невидимый оксидный слой, который защищает серебро от окисления и сульфидирования (основных причин потускнения). Эти сплавы особенно ценятся в ювелирных изделиях, столовом серебре и других декоративных предметах.

В золотые сплавы германий добавляют для повышения твердости и прочности золота. Это особенно полезно для ювелирных изделий, где повышенная твердость означает меньшее количество царапин и деформаций с течением времени. Германий также помогает уменьшить склонность сплава к потускнению.

Германий может быть добавлен в бронзу (медь и олово), чтобы создать более обрабатываемый и устойчивый к коррозии материал. Эти сплавы иногда используются в музыкальных инструментах, морском оборудовании и других областях, где важна коррозионная стойкость.

Германий иногда добавляют в бессвинцовые припои (например, на основе олова и меди), чтобы улучшить их плавящиеся и смачивающие свойства. Это становится все более важным, поскольку электронная промышленность отказывается от использования припоев на основе свинца из-за проблем со здоровьем и окружающей средой.

Медицина

Применение германия в медицине ограничено и неоднозначно. Несмотря на интерес к потенциальным полезным свойствам некоторых соединений германия, они не получили широкого распространения из-за опасений по поводу их безопасности.

Органические соединения германия, в частности сесквиоксид германия (Ge-132), продаются в качестве пищевых добавок. Сторонники утверждают, что они обладают такими преимуществами, как укрепление иммунной системы, противораковые свойства и улучшение общего состояния здоровья. Однако эти заявления не подкреплены научными данными, а безопасность германиевых добавок ставится под сомнение.

В некоторых исследованиях изучалось использование определенных соединений германия в качестве противораковых средств. Эти исследования находятся в основном на ранних стадиях, и единого мнения об эффективности или безопасности применения соединений германия в лечении рака нет.

Были проведены некоторые исследования по использованию германия в качестве средства для лечения остеопороза. Некоторые исследования показывают, что германий может стимулировать образование костной ткани, но эта область исследований пока находится в зачаточном состоянии.

Как добывают германий

Германий обычно не добывается в качестве первичного продукта; чаще всего его извлекают как побочный продукт при добыче и переработке других металлов, в частности цинка. Основным источником германия является сфалерит, цинковая руда. На цинковых рудниках добывается большое количество этой руды, содержащей следовые количества германия.

Сфалеритовая руда перерабатывается для извлечения цинка. В процессе переработки цинковой руды германий также концентрируется вместе с другими побочными продуктами, такими как свинец, серебро и кадмий. На обогатительной фабрике материал проходит несколько стадий, включая дробление, измельчение и различные формы физического и химического разделения (например, флотацию). В ходе этого процесса происходит концентрация германия и других ценных металлов.

Концентрированный материал подвергается процессу выщелачивания, часто с использованием серной кислоты или других химических веществ, которые растворяют германий вместе с другими металлами. Из фильтрата германий извлекается с помощью ряда химических процессов. Они могут включать экстракцию растворителем, осаждение и дистилляцию. Конкретные методы зависят от наличия других материалов и желаемой чистоты германия. Затем германий рафинируют для достижения желаемой чистоты. Для этого могут использоваться такие методы, как зонное рафинирование, которое позволяет получать германий очень высокой чистоты для полупроводниковых применений.

Очищенный германий можно превратить в различные соединения, такие как диоксид германия (GeO2), который используется в волоконной оптике, или тетрахлорид германия (GeCl4), который может быть переработан в высокочистый германий для электроники.

Иногда германий также извлекают из угольной золы или некоторых видов медных руд, но это менее распространенные источники. Общий процесс производства германия сложен из-за его следовой концентрации и необходимости тщательного рафинирования для достижения высокой чистоты, необходимой для большинства его применений.

Где добывают германий

Германий получают в основном как побочный продукт при переработке цинковой руды и, в меньшей степени, при переработке меди и угля. Таким образом, производство германия не привязано к конкретным «германиевым рудникам», а скорее к местам добычи этих других материалов. К основным регионам и странам, где германий добывается в качестве побочного продукта, относятся:

Китай. Китай является одним из крупнейших производителей германия и ведет значительную добычу и переработку цинка. Крупные цинкоплавильные заводы страны являются основными источниками германия;

Канада. Канада с ее значительной горнодобывающей промышленностью, особенно по добыче цинка, является еще одним источником германия;

Соединенные Штаты. США также производят германий, в основном, как побочный продукт при переработке цинковой руды, а также из угольной золы и, в меньшей степени, из медных руд;

Перу. Горнодобывающая промышленность Перу, особенно цинковые и медные рудники, вносит свой вклад в производство германия;

Финляндия. Финляндия известна своей горнодобывающей промышленностью, в том числе добычей цинка, что способствует производству германия;

Россия. Россия с ее обширными минеральными ресурсами также производит германий в качестве побочного продукта при добыче цинка и меди;

Бельгия. Бельгия не добывает германий, но является ключевым игроком в области переработки и аффинажа германия благодаря компаниям, специализирующимся на металлургии и переработке различных металлов, включая германий.