24 Марта 2018

Германий - получение и применение металла

Опубликовал К.В. Кулик

      Получение Германия

         В земной коре элемент германий содержится в количестве большем, нежели, например, серебро, висмут, сурьма. Однако, высокая степень рассеяния металла, обуславливает значительные трудности его получения. Кроме германиевых руд, он содержится в цинковых, свинцовых, а также в медно-цинковых рудных образованиях, в продуктах переработки каменных и бурых углей—в золе, в шлаках, в коксе.

         Содержание германия во всех этих соединениях весьма незначительно (от 0,001 до 0,01%) и, поэтому, процесс получения металлического моногермания достаточно сложен.

         Как же получают германий? Вначале необходимо получить концентрат германия, для чего применяют различные способы обогащения руд: пиро- и гидрометаллургические. При использовании пирометаллургического обогащения применяют метод возгонки и получают летучие продукты (GeO,GeS,GeS2), а при гидрометаллургическом методе обогащения, используют свойства избирательного растворения различных соединений германия.

         Продукты пирометаллургического обогащения (возгоны и огарки) растворяют в кислотах, германий переходит в раствор, из которого получают концентрат, методом осаждения, в виде малорастворимых соединений, совместным осаждением и сорбцией и электрохимическими способами. Полученный концентрат содержит от 5 до 30% германия и является начальным продуктом, из которого получают, как используемые самостоятельно промежуточные продукты, так и чистый кристаллический моногерманий.

         Следующим этапом этого процесса является получение диоксида германия GeO2 Для этого германиевый концентрат разлагают соляной кислотой, отгоняют до паров, содержащих тетрахлорид германия GeCl4, пары конденсируют, улавливают тетрахлорид германия и подвергают его экстракции. Очищенный GeCl4 ректификацируют и полученный чистый тетрахлорид подвергают гидролизу. Осадок GeO2.nH2O сушат и получают диоксид германия GeO2 . Затем, диоксид германия восстанавливают с помощью водорода до металла.

         Однако, для применения в полупроводниковых приборах он недостаточно чист. Его очищают: плавка при 1000ОС, направленная кристаллизация, затем зонная очистка и получение монокристалла. Полученный после зонной очистки монокристалл германия в виде слитка, обладает неравномерной чистотой по длине. Его разрезают на отдельные участки, наименее чистые выводят из процесса и используют для создания различных сплавов.

         Извлечение при зонной очистке из диоксида составляет 65%, а при получении монокристалла германия из зоноочищенного, извлечение составляет 25%. Для изготовления полупроводников монокристалл германия режется на пластины по кристаллографическим слоям, из которых выкраивают детали, их шлифуют и полируют а затем, из них изготавливают полупроводниковые приборы.

      Применение маталла

         Полученные в процессе передела концентрата германия полупродукты начиная от тетрахлорида германия до монокристалла, могут применяться для создания рыночных продуктов.

         Тетрахлорид германия

         Тетрахлорид германия высокой чистоты применяется для создания изделий для волоконной оптики, ВОЛС. Оптическое волокно содержит сердцевину, которая обеспечивает полное внутреннее отражение информационного сигнала на границе раздела «сердцевина-оболочка» и низкие потери энергии передаваемого сигнала. Этот сектор мирового потребления германия увеличивается на 10% в год и дополнительная потребность германия для него составит до 35 тонн в год при пересчёте на металл.

         Диоксид германия

         Диоксид германия применяют при производстве синтетических волокон в качестве катализатора. При производстве пластиковых ёмкостей для упаковке пищевых продуктов, также применяют диоксид германия. При производстве люминофоров применяется соединение диоксида германия и магния (Mg4GeO6). В медицине диоксид германия применяется в приборах для диагностики различных заболеваний.

         Зонная очистка

         На этапе получения германия называемого зонной очисткой, полученные из монокристалла слитка германия участки невысокой чистоты, применяются для изготовления различных сплавов на основе алюминия, цинка, магния и меди, а самые чистые, т.н. высокочистый моногерманий, для производства полупроводниковых приборов.

         Моногерманий

         Одной из самых первых и, на сегодня, одной из самых главных сфер использования моногермания, как продукта высокой чистоты, является инфракрасная техника. Из моногермания изготавливают линзы и входные отверстия оптических систем для приборов ночного видения. Германиевые линзы находят всё более широкое применение, как для военных целей, так и для невоенных. К 2020 году их рынок увеличится до 700 тысяч штук в год и, соответственно, из-за высокого уровня отбраковки, потребуется 1,7 млн. штук заготовок для них.

         Солнечные батареи, сформированные из многокаскадных световых элементов, изготовленных на основе соединений индий/галлий/фосфор + индий/галлий/мышьяк + германий, используются в качестве бортовых источников электроэнергии для космических спутников. Эти солнечные батареи значительно (до 15 лет) увеличивают срок службы космических объектов, одновременно повышая их энерговооружённость в 2 раза. Всё это повышает возможность применения спутников различного назначения, количество которых на околоземной орбите к 2024 году достигнет отметки 1400.

         Будут созданы специальные спутники-генераторы электроэнергии, на основе солнечных батарей, для подпитки околоземных космических объектов.

         Полупроводниковые детекторы ионизирующего излучения с самой высокой разрешающей способностью изготавливаются из монокристалла германия. Они применяются в системах управления различными технологическими процессами, в космосе, в науке, для радиационного мониторинга окружающей среды, для контроля за пищевыми продуктами, при таможенных досмотрах.

         В атомной энергетике, для контроля за ядерными материалами, от урановых месторождений, до контроля за отработанным ядерным топливом.

         Ядерная медицина стала существенным потребителем высокоточных детекторов выполненных на основе германия. Для обнаружения малых количеств радиоактивных веществ, применяются гамма-спектрометры, выполненные на основе германия. Эти приборы применяются для сканирования багажа при досмотрах в аэропортах, для обнаружения взрывчатых веществ и контрабанды.

         Самым большим потребителем моногермания (40-50 тонн в год) является оптоэлектроника и электроника. Здесь германий используется в виде подложек для полупроводниковых приборов. Основным видом подложек являются диски моногермания диаметром до 100мм. При ожидании роста количества солнечных батарей, на земле и в космосе, мировое производство подложек достигнет 1млн. штук в год, при пересчёте на диски диаметром 100 мм.