锗的性质历史和应用-锗回收公司揭秘

金泽贵金属回收 锗钽钴钼 2022-05-24 12610 0



锗是一种稀有的银色半导体金属,用于红外技术、光纤电缆和太阳能电池。

锗的性质

从技术上讲,锗被归类为准金属或半金属。具有金属和非金属特性的一组元素中的一种。

在其金属形式中,锗呈银色,坚硬且易碎。

锗的独特特性包括对近红外电磁辐射(波长在1600-1800纳米之间)的透明性、高折射率和低光学色散。准金属本质上也是半导体的。

锗的历史

元素周期表之父德米特里·门捷列夫(DemitriMendeleev)在1869年预言了第32号元素的存在,他将其命名为ekasilicon。十七年后,化学家ClemensA.Winkler发现并从稀有矿物银辉石(Ag8GeS6)中分离出该元素。他以他的家乡德国命名该元素。

在1920年代,对锗的电学特性的研究导致了高纯度单晶锗的发展。二战期间,单晶锗被用作微波雷达接收器的整流二极管。

1947年12月,在贝尔实验室的JohnBardeen、WalterBrattain和WilliamShockley发明晶体管之后,锗的第一次商业应用出现在战后。在接下来的几年里,含锗晶体管进入了电话交换设备、军用计算机、助听器和便携式收音机。

然而,1954年之后,德州仪器公司的戈登·蒂尔发明了硅晶体管,情况开始发生变化。锗晶体管在高温下容易失效,这个问题可以用硅来解决。在Teal之前,没有人能够生产出纯度足以替代锗的硅,但在1954年之后,硅开始在电子晶体管中替代锗,到1960年代中期,锗晶体管几乎不存在。

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新的应用程序即将到来。锗在早期晶体管中的成功导致了更多的研究和锗的红外特性的实现。最终,这导致准金属被用作红外(IR)透镜和窗口的关键组件。

1970年代发射的第一个航海者太空探索任务依赖于硅锗(SiGe)光伏电池(PVC)产生的电力。锗基PVC对卫星运行仍然至关重要。

1990年代光纤网络的发展和扩张导致对锗的需求增加,锗用于形成光缆的玻璃芯。

到2000年,依赖于锗基板的高效PVC和发光二极管(LED)已成为该元素的主要消费者。

锗的生产

像大多数次要金属一样,锗是作为贱金属精炼的副产品生产的,而不是作为主要材料开采的。

锗最常由闪锌矿锌矿石生产,但也已知从粉煤灰煤(由燃煤电厂生产)和一些铜矿石中提取。

无论材料来源如何,所有锗精矿都首先使用产生四氯化锗(GeCl4)的氯化和蒸馏工艺进行纯化。然后将四氯化锗水解并干燥,产生二氧化锗(GeO2)。然后用氢还原氧化物以形成锗金属粉末。

锗粉在超过1720.85°F(938.25°C)的温度下铸成条。

区域精炼(熔化和冷却过程)分离并去除杂质,最终生产出高纯度锗棒。商业锗金属的纯度通常超过99.999%。

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区域精炼锗可以进一步生长成晶体,然后将其切成薄片,用于半导体和光学透镜。

美国地质调查局(USGS)估计2011年全球锗产量约为120公吨(含锗)。

据估计,全球每年有30%的锗产量是从废弃材料中回收的,例如退役的红外透镜。IR系统中使用的锗估计有60%被回收利用。

最大的锗生产国以中国为首,2011年中国生产了三分之二的锗。其他主要生产国包括加拿大、俄罗斯、美国和比利时。

主要的锗生产商包括泰克资源有限公司、云南临沧鑫源锗业有限公司、优美科和南京锗业有限公司。

锗的应用

根据美国地质调查局,锗应用可分为5组(其次是总消耗量的大致百分比):

红外光学-30%

光纤-20%

聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)-20%

电子和太阳能-15%

磷光体、冶金和有机物-5%

锗晶体生长并形成用于红外或热成像光学系统的透镜和窗口。在严重依赖军事需求的所有此类系统中,约有一半包括锗。

系统包括小型手持和武器安装设备,以及空中、陆地和海上车载系统。已经努力发展基于锗的红外系统的商业市场,例如高端汽车,但非军事应用仍仅占需求的12%左右。

四氯化锗用作掺杂剂或添加剂,以增加光纤线路的石英玻璃芯的折射率。通过掺入锗,可以防止信号损失。

锗的形式也用于生产用于空间(卫星)和地面发电的PVC。

锗基板在也使用镓、磷化铟和砷化镓的多层系统中形成一层。这种系统被称为聚光光伏(CPV),因为它们使用聚光透镜,在太阳光转化为能量之前将其放大,具有高效率水平,但制造成本高于晶体硅或铜铟镓二硒化物(CIGS)细胞。

每年约有17公吨二氧化锗用作PET塑料生产中的聚合催化剂。PET塑料主要用于食品、饮料和液体容器。

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尽管在1950年代作为晶体管失败了,但锗现在与硅一起用于一些手机和无线设备的晶体管组件中。与硅基技术相比,SiGe晶体管具有更高的开关速度和更低的功耗。SiGe芯片的最终用途之一是汽车安全系统。

锗在电子产品中的其他用途包括同相存储芯片,由于其节能优势,它们正在取代许多电子设备中的闪存,以及用于生产LED的基板。

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