Propriétés, histoire et applications du germanium

Le germanium est un métal semi-conducteur argenté rare utilisé dans la technologie infrarouge, les câbles à fibres optiques et les cellules solaires.

• Symbole atomique: Ge
• Numéro atomique: 32
• Catégorie d'élément: métalloïde
• Densité: 5,323 g / cm3
• Point de fusion: 938,25 ° C (1720,85 ° F)
• Point d'ébullition: 5131 ° F (2833 ° C)
• Dureté Mohs: 6,0

Techniquement, le germanium est classé comme métalloïde ou semi-métal. L'un d'un groupe d'éléments qui possèdent des propriétés à la fois métalliques et non métalliques.

Sous sa forme métallique, le germanium est de couleur argentée, dur et cassant.

Les caractéristiques uniques de Germanium incluent sa transparence aux rayonnements électromagnétiques proche infrarouge (à des longueurs d'onde comprises entre 1600 et 1800 nanomètres), son indice de réfraction élevé et son faible dispersion.

Le métalloïde est également intrinsèquement semi-conducteur.

Demitri Mendeleev, le père du tableau périodique, a prédit l'existence de l'élément numéro 32, qu'il a nommé

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 radar à micro-ondes pendant la Seconde Guerre mondiale.

La première application commerciale pour le 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, des transistors contenant du germanium ont trouvé leur place dans les équipements de commutation téléphonique, les ordinateurs militaires, les aides auditives et les radios portables.

Cependant, les choses ont commencé à changer après 1954, lorsque Gordon Teal de Texas Instruments a inventé un silicium transistor. Les transistors au germanium avaient tendance à tomber en panne à des températures élevées, un problème qui pouvait être résolu avec le silicium. Jusqu'à Teal, personne n'avait été en mesure de produire du silicium d'une pureté suffisamment élevée pour remplacer le germanium, mais après 1954, le silicium commencé à remplacer le germanium dans les transistors électroniques, et au milieu des années 1960, les transistors au germanium étaient pratiquement inexistant.

De nouvelles applications devaient arriver. 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 un élément clé des lentilles et des fenêtres infrarouges (IR).

Les premières missions d'exploration spatiale Voyager lancées dans les années 1970 reposaient sur l'énergie produite par des cellules photovoltaïques (PVC) en silicium-germanium (SiGe). Les PVC à base de germanium sont toujours essentiels au fonctionnement des satellites.

Le développement et l'expansion des réseaux de fibres optiques dans les années 1990 ont entraîné une augmentation de la demande de germanium, qui est utilisé pour former l'âme en verre des câbles à fibres optiques.

En 2000, les PVC à haute efficacité et les diodes électroluminescentes (DEL) dépendantes de substrats en germanium étaient devenus de gros consommateurs de l'élément.

Comme la plupart des métaux mineurs, le germanium est produit comme sous-produit du raffinage des métaux communs et n'est pas extrait comme matériau primaire.

Le germanium est le plus souvent produit à partir de sphalérite zinc mais est également connu pour être extrait du charbon de cendres volantes (produit à partir de centrales à charbon) et de certains cuivre minerais.

Quelle que soit la source de matière, tous les concentrés de germanium sont d'abord purifiés à l'aide d'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 de la poudre de germanium métal.

La poudre de germanium est coulée en barres à des températures supérieures à 1720,85 ° F (938,25 ° C).

Le raffinage de zone (un processus de fusion et de refroidissement) des barres isole et élimine les impuretés et, finalement, produit des barres de germanium de haute pureté. Le germanium métal commercial est souvent pur à plus de 99,999%.

Le germanium raffiné par zone peut en outre être transformé en cristaux, qui sont coupés en morceaux fins pour une utilisation dans les semi-conducteurs et les lentilles optiques.

La production mondiale de germanium a été estimée par l'US Geological Survey (USGS) à environ 120 tonnes en 2011 (contenant du germanium).

On estime que 30% de la production mondiale annuelle de germanium est recyclée à partir de matériaux de rebut, tels que les lentilles IR retirées. On estime que 60% du germanium utilisé dans les systèmes infrarouges est désormais recyclé.

Les plus grands pays producteurs de germanium sont dirigés par la Chine, où les deux tiers de tout le germanium ont été produits en 2011. Les autres grands producteurs sont 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.

Selon l'USGS, les applications de germanium peuvent être classées en 5 groupes (suivis d'un pourcentage approximatif de la consommation totale):

1. Optique IR - 30%
2. Fibre optique - 20%
3. Polyéthylène téréphtalate (PET) - 20%
4. Électronique et solaire - 15%
5. Phosphores, métallurgie et organique - 5%

Les cristaux de germanium se développent et se transforment en lentilles et fenêtre pour les systèmes optiques à imagerie infrarouge ou thermique. Environ la moitié de tous ces systèmes, qui dépendent fortement de la demande militaire, comprennent du germanium.

Les systèmes comprennent de petits appareils portatifs et montés sur des armes, ainsi que des systèmes embarqués à bord de véhicules aériens, terrestres et maritimes. Des efforts ont été faits pour développer le marché commercial des systèmes infrarouges à base de germanium, comme dans les voitures haut de gamme, mais les applications non militaires ne représentent encore que 12% environ de la demande.

Le tétrachlorure de germanium est utilisé comme dopant - ou additif - pour augmenter l'indice de réfraction dans l'âme en verre de silice des lignes à fibres optiques. En incorporant du germanium, la perte de signal est empêchée peut être empêchée.

Les formes de germanium sont également utilisées dans les substrats pour produire des PVC pour la production d'énergie à partir de l'espace (satellites) et terrestre.

Les substrats en germanium forment une couche dans des systèmes multicouches qui utilisent également du gallium, du phosphure d'indium et gallium l'arséniure. De tels systèmes, appelés photovoltaïques concentrés (CPV) en raison de leur utilisation de lentilles de concentration qui grossissent la lumière solaire avant qu'elle ne soit convertis en énergie, ont des niveaux d'efficacité élevés mais sont plus coûteux à fabriquer que le silicium cristallin ou le cuivre-indium-gallium-diselenide (CIGS).

Chaque année, environ 17 tonnes de dioxyde de germanium sont utilisées comme catalyseur de polymérisation dans la production de plastiques PET. Le plastique PET est principalement utilisé dans les récipients pour aliments, boissons et liquides.

Malgré son échec en tant que transistor dans les années 1950, le germanium est maintenant utilisé en tandem avec du silicium dans des composants de transistor pour certains téléphones portables et appareils sans fil. Les transistors SiGe ont des vitesses de commutation plus élevées et utilisent moins d'énergie que la technologie à base de silicium. L'une des applications finales des puces SiGe concerne les systèmes de sécurité automobile.

D'autres utilisations du germanium dans l'électronique incluent les puces de mémoire en 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/