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Le germanium est un métal semi-conducteur rare de couleur argent qui est utilisé dans la technologie infrarouge, les câbles à fibres optiques et les cellules solaires.
Propriétés
- Symbole atomique: Ge
- Numéro atomique: 32
- Catégorie de l'élément: Metalloid
- Densité: 5.323 g / cm3
- Point de fusion: 938,25 ° C (1720,85 ° F)
- Point d'ébullition: 2833 ° C (5131 ° F)
- Mohs dureté: 6.0
Caractéristiques
Techniquement, le germanium est classé comme métalloïde ou semi-métal. L'un d'un groupe d'éléments qui possèdent des propriétés à la fois des métaux et des non-métaux.
Sous sa forme métallique, le germanium est de couleur argentée, dure et cassante.
Les caractéristiques uniques du germanium incluent sa transparence au rayonnement électromagnétique proche infrarouge (à des longueurs d'onde comprises entre 1600 et 1800 nanomètres), son indice de réfraction élevé et sa faible dispersion optique.
Le métalloïde est également intrinsèquement semiconducteur.
Histoire
Demitri Mendeleev, le père du tableau périodique, prédit l'existence de l'élément numéro 32, qu'il nomma ekasilicon , en 1869. Dix-sept ans plus tard, le chimiste Clemens A. Winkler découvrit et isola l'élément du minéral argyrodite (Ag8GeS6). Il a nommé l'élément après sa patrie, l'Allemagne.
Au cours des années 1920, la recherche sur les propriétés électriques du germanium a abouti au développement de germanium monocristallin de haute pureté. Le germanium monocristallin a été utilisé comme diodes de redressement dans les récepteurs de radar à micro-ondes pendant la Seconde Guerre mondiale.
La première application commerciale du germanium est venue après la guerre, après l'invention des transistors par John Bardeen, Walter Brattain et William Shockley aux Bell Labs en décembre 1947.
Dans les années qui ont suivi, les transistors contenant du germanium se sont retrouvés dans les équipements de commutation téléphonique, les ordinateurs militaires, les appareils auditifs et les radios portatives.
Les choses ont commencé à changer après 1954, cependant, lorsque Gordon Teal de Texas Instruments a inventé un transistor au silicium . Les transistors de germanium avaient tendance à tomber en panne à haute température, un problème qui pourrait être résolu avec du silicium.
Jusqu'à Teal, personne n'avait été capable de produire du silicium suffisamment pur pour remplacer le germanium, mais après 1954, le silicium commença à remplacer le germanium dans les transistors électroniques et, au milieu des années 1960, les transistors au germanium étaient pratiquement inexistants.
De nouvelles applications devaient venir. Le succès du germanium dans les premiers transistors a conduit à davantage de recherches et à la réalisation des propriétés infrarouges du germanium. En fin de compte, cela a entraîné l'utilisation du métalloïde comme composant clé des lentilles infrarouges (IR) et des fenêtres.
Les premières missions d'exploration spatiale Voyager lancées dans les années 1970 reposaient sur l'énergie produite par des cellules photovoltaïques au silicium-germanium (SiGe). Les PVCs à base de germanium sont toujours essentiels aux opérations satellitaires.
Le développement et l'expansion des réseaux de fibre optique dans les années 1990 ont conduit à une demande accrue de germanium, qui est utilisé pour former le noyau de verre des câbles à fibres optiques.
En 2000, les PVC haute performance et les diodes électroluminescentes (DEL) dépendantes des substrats de germanium sont devenus de grands consommateurs de l'élément.
Production
Comme la plupart des métaux mineurs, le germanium est produit comme sous-produit du raffinage des métaux de base et n'est pas exploité comme matériau primaire.
Le germanium est le plus souvent produit à partir de minerais de zinc de sphalérite, mais il est également connu pour être extrait du charbon de cendres volantes (produit à partir de centrales au charbon) et de certains minerais de cuivre .
Indépendamment de la source de matière, tous les concentrés de germanium sont d'abord purifiés en utilisant un processus de chloration et de distillation qui produit du tétrachlorure de germanium (GeCl4). Le tétrachlorure de germanium est ensuite hydrolysé et séché, produisant du dioxyde de germanium (GeO2). L'oxyde est ensuite réduit avec de l'hydrogène pour former une poudre de germanium métallique.
La poudre de germanium est coulée dans des barres à des températures supérieures à 938,25 ° C (1720,85 ° F).
Le raffinage de zone (un processus de fusion et de refroidissement) les barres isole et élimine les impuretés et, finalement, produit des barres de germanium de haute pureté. Le germanium commercial est souvent pur à plus de 99,999%.
Le germanium raffiné en zone peut ensuite être cultivé en cristaux, qui sont découpés en morceaux minces pour une utilisation dans les semi-conducteurs et les lentilles optiques.
Selon l'US Geological Survey (USGS), la production mondiale de germanium devrait être d'environ 120 tonnes métriques en 2011 (germanium contenu).
On estime que 30% de la production annuelle mondiale de germanium est recyclée à partir de matériaux de rebut, tels que les lentilles IR à la retraite. On estime que 60% du germanium utilisé dans les systèmes IR est maintenant recyclé.
Les plus grands pays producteurs de germanium sont menés par la Chine, où les deux tiers du germanium ont été produits en 2011. Parmi les autres grands producteurs figurent le Canada, la Russie, les États-Unis et la Belgique.
Les principaux producteurs de germanium comprennent Teck Resources Ltd. , Yunnan Lincang Xinyuan Germanium Industrial Co., Umicore et Nanjing Germanium Co.
Applications
Selon l'USGS, les applications de germanium peuvent être classées en 5 groupes (suivis d'un pourcentage approximatif de la consommation totale):
- Optique IR - 30%
- Fibre optique - 20%
- Polyéthylène téréphtalate (PET) - 20%
- Électronique et solaire - 15%
- Phosphores, métallurgie et organique - 5%
Les cristaux de germanium sont cultivés et formés en lentilles et en fenêtre pour les systèmes optiques d'IR ou d'imagerie thermique. Environ la moitié de ces systèmes, qui dépendent fortement de la demande militaire, comprennent le germanium.
Les systèmes comprennent de petits dispositifs portatifs et montés sur les armes, ainsi que des systèmes montés sur les véhicules aériens, terrestres et maritimes. Des efforts ont été faits pour développer le marché commercial des systèmes IR à base de germanium, comme dans les voitures haut de gamme, mais les applications non militaires ne représentent encore qu'environ 12% de la demande.
Le tétrachlorure de germanium est utilisé comme dopant - ou additif - pour augmenter l'indice de réfraction dans le noyau de verre de silice des lignes à fibres optiques. En incorporant du germanium, la perte de signal est évitée peut être évitée.
Des formes de germanium sont également utilisées dans les substrats pour produire des PVC pour la production d'énergie par satellite (spatiale) et terrestre.
Les substrats de Germanium forment une couche dans des systèmes multicouches qui utilisent également du gallium, du phosphure d'indium et de l' arséniure de gallium . De tels systèmes, appelés photovoltaïques concentrés (CPV) en raison de leur utilisation de lentilles de concentration qui amplifient la lumière solaire avant qu'elle ne soit convertie en énergie, ont des rendements élevés mais sont plus coûteux à fabriquer que le silicium cristallin ou le cuivre-indium-gallium- cellules de diséléniure (CIGS).
Environ 17 tonnes de dioxyde de germanium sont utilisées comme catalyseur de polymérisation dans la production de plastiques PET chaque année. Le plastique PET est principalement utilisé dans les contenants d'aliments, de boissons et de liquides.
En dépit de son échec en tant que transistor dans les années 1950, le germanium est maintenant utilisé en tandem avec le silicium dans les composants de transistors pour certains téléphones portables et appareils sans fil. Les transistors SiGe ont des vitesses de commutation plus élevées et consomment moins d'énergie que la technologie à base de silicium. Une application d'utilisation finale pour les puces SiGe est dans les systèmes de sécurité automobile.
D'autres utilisations du germanium dans l'électronique incluent les puces de mémoire de phase, qui remplacent la mémoire flash dans de nombreux appareils électroniques en raison de leurs avantages d'économie d'énergie, ainsi que dans les substrats utilisés dans la production de LED.
Sources:
USGS. Annuaire des minéraux 2010: Germanium. David E. Guberman.
http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/germanium/
Association du commerce des métaux mineurs (MMTA). Germanium
http://www.mmta.co.uk/metals/Ge/
Musée CK722. Jack Ward.
http://www.ck722museum.com/