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锗的基本知识

 


germanium
  元素符号Ge,银灰色脆性金属,也有人将锗归入半金属,光泽美丽。在元素周期表中属ⅣA族,原子序数32,原子量72.59,金刚石型点阵,常见化合价为+4。锗是晶体管中首先使用的半导体材料,对固体物理和固体电子学的发展起过重要作用。
  1871年俄国人门捷列夫(Д.И.Μенделеев)根据周期律预言自然界存在一种厚子量为72的化学元素,性质和硅相似,称之为“类硅”。1886年德国人温克勒(C.A.Winkler)在分析硫银锗矿时发现和分离出这个元素,并以他的祖国Germany命名。
  资源 锗矿物主要有硫银锗矿(4Ag2S·GeS2),含锗6~7%;黑硫银锡矿[4Ag2S+(Sn,Ge)S2],含锗1.8%;锗石(3Cu2S·FeS·2GeS2),含锗8~9%;硫锗铁铜矿(Cu,Fe)3(Fe,Ge,Zn,Sn)(S,As)4,含锗7.8%;但都很稀少。锗通常以伴生状态存在于闪锌矿、某些铁矿及其他硫化矿物中。闪锌矿含锗量约为 0.01~0.1%。各种煤含锗在0.001~0.1%之间,低灰分煤(亮煤)中含锗较多。
  锗是锌电解时最有害的杂质之一,当电解液中含锗超过 0.1毫克/升时,必须将锗除去。现代工业生产的锗主要是铜、铅、锌冶炼的副产品(见重金属冶金资源的综合回收)。
  70年代末世界上每年生产的锗约110吨(不包括废锗回收)。1980年美国市场本征锗的价格约为784美元/公斤。二氧化锗为487美元/公斤。
  中国于1959年开始从含锗的氧化铅锌矿、闪锌矿和煤灰中回收锗,并进行工业生产。
  性质和用途 锗具有半导体性质。在高纯金属锗中掺入三价元素如铟、镓、硼等,得到p型锗;掺入五价元素如锑、砷、磷等,得到n型锗。锗的禁带宽度 (300K)0.67电子伏,本征电阻率(27℃)47欧姆·厘米,电子迁移率3900±100厘米2/(伏·秒),空穴迁移率1900±50厘米2/(伏·秒),电子扩散系数100厘米2/秒,空穴扩散系数48.7厘米2/秒。
Image:zhe01.jpg

  锗在电子工业中的用途,已逐渐被硅代替。但由于锗的电子和空穴迁移率较硅高,在高速开关电路方面,锗比硅的性能好。锗在红外器件、γ辐射探测器方面,有新的用途。金属锗能通过 2~15微米的红外线,又和玻璃一样易被抛光,能有效地抵制大气的腐蚀,可用以制造红外窗口、三棱镜和红外光学透镜材料。锗酸铋用于闪烁体辐射探测器。锗还同铌形成化合物,用作超导材料。二氧化锗是聚合反应的催化剂。用二氧化锗制造的玻璃有较高的折射率和色散性能,可用于广角照相机和显微镜镜头;GeO2-TiO2-P2O5类型的玻璃有良好的红外性能,在空间技术上,可用来保护超灵敏的红外探测器。
  富集回收 锗的制取第一步是从重有色金属冶炼过程回收锗的富集物。以炼锌为例:在火法炼锌过程中,锌精矿首先经过氧化焙烧,然后加入还原剂和氯入钠,在烧结机上烧结焙烧,锗以氯化物或氧化物形态挥发进入烟尘。如不采用氯化烧结措施,锗将富集于最后锌蒸馏的残留物中(见氯化冶金)。在湿法炼锌过程中,如锌精矿含锗不高时,大部分锗在硫酸浸出渣中,小部分锗进入溶液。在锌溶液净化过程中,由于锗的亲铁性质,氢氧化铁沉淀时吸附锗,锗进入铁渣。锌溶液用锌粉置换镉时,残留的锗和镉同时为锌粉所置换。如将浸出渣熔化,然后用烟化炉挥发铅、锌,则锗以一氧化锗状态挥发,富集于烟尘中。烟化炉可用来处理含锗的氧化铅、锌矿。将氧化矿在鼓风炉内熔炼,再用烟化炉处理炉渣挥发锗,挥发率大于90%。现代炼锌多用湿法,在处理含锗较高的硫化锌精矿(含锗100~150克/吨)时,首先使锗富集于浸出渣中,用烟化炉处理,烟尘含锗0.1%,用酸浸出,溶液净化后,加丹宁(C76H52O46)沉淀,沉淀物中含锗3~5%;经烘干、煅烧,得到含锗15~20%的锗灰,作为提锗原料。
  高纯锗单晶的制备 首先将富集物用浓盐酸氯化,制取四氯化锗,再用盐酸溶剂萃取法除去主要的杂质砷,然后经石英塔两次精馏提纯,四氯化锗(GeCl4)的含砷量可降至1ppm以下,再经高纯盐酸洗涤,可得高纯四氯化锗。用高纯水使四氯化锗水解,得高纯二氧化锗(GeO2)。一些杂质会进入水解母液,所以水解过程也是提纯过程。纯二氧化锗经烘干煅烧,在还原炉的石英管内用氢气于650~680℃还原得到金属锗。还原终结时可逐渐升温至1000~1100℃,使锗熔化,将石墨舟从还原炉中缓缓拉出,控制温度,把杂质驱至尾端,这种方法称为定向结晶法。切去锗锭的尾端,其余部分的纯度大大提高,电阻率可达20欧姆·厘米以上(见晶体培育)。
  半导体器件所需的锗,纯度通常以电阻率表示,规定在20℃时在锭底部表面测出的电阻率应为30~50欧姆·厘米,其杂质总含量为10-8~10-9%,必须采用区域熔炼提纯法进一步提纯。
  锗单晶的制备方法有两种:一种是直拉法,另一种是区熔匀平法。①直拉法是将锗锭置于坩埚中熔化,然后用一固定在拉杆上的锗晶体作籽晶,垂直浸入温度略高于熔点的熔融锗中,以一定的速度从熔体向上拉出,熔融锗便按籽晶的结晶方向凝固。通过控制拉速、坩埚和籽晶转速等措施,以及自动控制炉温和单晶直径等技术,可以制成n型电阻率为 0.003~40欧姆·厘米、p型电阻率为0.002~40欧姆·厘米、位错密度为500~3000厘米-2、直径为 20~300毫米的锗单晶。②区熔匀平法所用的炉子为水平式石英管加热炉,能生产电阻率均匀的锗单晶,电阻率的径向均匀度为±3%,纵向均匀度为±7%,位错密度为103厘米-2,单晶截面为5~12厘米2
  红外器件所用锗单晶为n型,电阻率5~40欧姆·厘米,单晶直径可达300毫米,多晶直径可达600毫米。探测器级锗单晶用于制作锂漂移探测器和高纯锗探测器。后者要求锗单晶的净杂质含量更低(<1010原子/厘米3)。锗单晶的性能用型号、电阻率均匀性、位错密度、少数载流子寿命和载流子浓度等指标来表示。
  废锗回收 从锗加工废料中回收锗很重要。自冶炼到制成锗晶体管整个过程,特别是区熔提纯、拉制单晶、切片、磨片和抛光锗片的加工过程中,会产生大量的含锗废料。这些废料的含锗量为:切割粉60~70%,碎片80~90%,滤纸20%,腐蚀液2~10%。从废料中回收锗的方法很多,主要有:①用氯气在石英容器内使锗氯化成四氯化锗,然后蒸馏回收;②用新鲜的NaOCl于80℃处理锗残渣,生成锗酸钠(Na2GeO3),然后加入氢氧化铵,生成锗的沉淀物(Na2O)x(NH4)yGe2O3,回到四氯化锗生产流程。在处理含氢氟酸的腐蚀液时,加入氢氧化铵,可生成氟化铵和锗酸铵(NH4)x Ge2O3沉淀。在四氯化锗水解过程中产生的水解液和洗涤液中含有少量(约6~7克/升)的锗,回收的方法是用硫酸镁和氢氧化铵使锗沉淀为正锗酸镁(见超纯金属)。
  参考书目
 C.A.Hampel ed., Rare Metals Handboo噚, 2nd ed.,Reinhold, New York, 1961.
 沈华生:《稀散金属冶金学》,上海人民出版社,上海,1976。


germanium

  电工领域用于制作半导体器件的材料。是元素周期表中第 4周期第Ⅳ族的元素,化学符号Ge,原子序数32,属金刚石型结构,晶格常数5.66×10-10m,熔点937.4℃,禁带宽度为0.803电子伏,是呈银白色金属光泽的半金属材料。锗于1948年即进入实用阶段。由于锗是稀有元素,资源不如硅丰富,价格较高,且锗器件制作也不象硅器件那样能够实现平面工艺,故大部分半导体器件不选用锗而选用硅作材料。但锗的电子迁移率和空穴迁移率比硅大,适用于超高速转换开关电路,因而在高频快速低噪声的领域,锗器件的优点是硅器件不能代替的。锗常用来制造晶体二极管、三极管和集成电路,用于电子工业的各个领域;制造热敏电阻、光敏电阻和半导体温度计,用于温度测量和设备的自动控制;制造太阳能电池、光电池用作人造卫星、航天飞机等的电源。制造器件主要用单晶,影响单晶质量的关键因素是晶格缺陷和杂质。


声母:z

字头:锗,(,鍺,)

四笔号码:3771

注音:zhě

摘要:zhe

笔画:13画

部首画:05

部首:钅部

释义:金属元素,符号Ge,银灰色结晶,质脆,有单方向导电性能。可用以制造半导体晶体管等。

部首查询:05钅部


germanium
  一种化学元素 。化学符号 Ge ,原子序数 32 , 原子量72.61属周期系ⅣA族。1871年俄国 D.I. 门捷列夫根据元素周期律预 言存在一个性质与硅相似的未知元素 , 命名为类硅。1886年德国C.温克勒在分析硫银锗矿时分离出这个元素,为纪念他的祖国Germany ,命名为 germanium 。锗在地壳中的含量为 7×10-4% ,主要矿物有硫银锗矿(4Ag2S·GeS2)、黑硫银锡矿 [4Ag2S·(Sn,Ge)S2],锗石(3Cu2S·FeS·2GeS2)、硫锗铁铜矿[(Cu, Fe)3(Fe, Ge, Zn,Sn)(S,As)4]。但这些独立矿藏量稀少。大量的锗分散在煤及 金 属 硅酸 盐和 硫化物矿中 , 锗 在 各 类煤中的含量为0.001%~0.1% ,以低灰分的煤中含锗多 ,闪锌矿中锗的含量为0.001%~0.1%。
  锗是银灰色晶体,熔点 937.4℃,沸点 2830 ℃ ,密度5.35克/厘米3(20℃),莫氏硬度 6.0~6.5,室温下,晶态锗性脆,可塑性很小。锗具有半导体性质,在高纯锗中掺入三价元素(如铟、镓、硼)、得到 P 型锗半导体;掺入五价元素(如锑、砷、磷),得到N型锗半导体。常温下 ,锗在空气中不被氧化,但在加热时,锗能在氧气、氯气和溴蒸气中燃烧。锗不与水作用,不溶于盐酸和稀硫酸,硝酸和热的浓硫酸能将金属锗氧化为二氧化锗,锗还溶于王水。锗易溶于熔融的氢氧化钠或氢氧化钾,生成锗酸钠或锗酸钾。在过氧化氢、次氯酸钠等氧化剂存在下,锗能溶解在碱性溶液中,生成锗酸盐。锗的氧化态为+2和+4。
  在火法炼锌过程中,锗以氯化物或氧化物的形式进入烟尘中,并得到富集。煤燃烧或炼焦工业产生的锗都富集在烟道灰中。用盐酸处理这些烟尘和烟道灰,可得四氯化锗,通过精馏法提纯后,水解得高纯二氧化锗,放在石英管内,加热到 680℃,用氢气还原得高纯锗 。再用直拉法或区域熔炼法制得锗的单晶。在电子工业中锗虽已大部分被硅代替,但由于锗的电子和空穴迁移率比硅高,在高速开关电路方面锗的性能也比硅好,因此锗在红外器件、γ辐射探测器方面仍占有优势。锗还可作为煤的氢化和石油炼制的催化剂,锗酸铋用于闪烁体辐射探测器。


是一种化学元素,它的化学符号是Ge,它的原子序数是32,是一种灰白色的类金属。

锗的性质与锡类似。锗最常用在半导体之中,用来制造晶体管。

 

参见

  • 元素周期表
  • 同位素列表
  • 类金属

 

补充

元素名称:锗

元素原子量:72.61

元素类型:金属

发现人:文克勒 发现年代:1886年

发现过程:

1886年,德国的文克勒在分析硫银锗矿时,发现了锗的存在;后由硫化锗与氢共热,制出了锗。

元素描述:

粉末状呈暗蓝色,结晶状,为银白色脆金属。密度5.35克/厘米3。熔点937.4℃。沸点2830℃。化合价+2和+4。第一电离能7.899电子伏特。是一种稀有金属,重要的半导体材料。不溶于水、盐酸、稀苛性碱溶液。溶于王水、浓硝酸或硫酸、熔融的碱、过氧化碱、硝酸盐或碳酸盐。在空气中不被氧化。其细粉可在氯或溴中燃烧。

元素来源:

存在于煤、铁矿和某些银矿、铜矿中,也成锗石产出。可由二氧化锗用碳还原制得。也可以煤所发生炉生产烟道中的灰尘中回收。

元素用途:

高纯度的锗是半导体材料。从高纯度的氧化锗还原,再经熔炼可提取而得。掺有微量特定杂质的锗单晶,可用于制各种晶体管、整流器及其他器件。锗的化合物用于制造荧光板及各种高折光率的玻璃。 用于某些夜视系统。二氧化锗是制造盛碳酸饮料的聚酯瓶时用到的催化剂元素辅助资料:

锗、锡和铝在元素周期表中是同属一族,后两者早被古代人们发现并利用,而锗长时期以来没有被工业规模的开采。这并不是由于锗在地壳中的含量少,而是因为它是地壳中最分散的元素之一,含锗的矿石是很少的。

门捷列夫曾预言了之一元素的存在,把它成为类硅。直到1886年,锗终于被德国夫赖堡(Frieberg)矿业学院分析化学教授文克勒发现。他是在分析夫赖堡附近发现到一种新的矿石——argyrodite(辉银锗矿4Ag2S·GeS2)的时候,发现有一未知的新元素并通过实验验证了自己的推断。

从德国的拉丁名germania命名新元素为germanium(锗),以纪念发现锗的文克勒的祖国。元素符号定为Ge。锗继镓和钪后被发现,巩固了化学元素周期系。

本文引用地址:http://www.metalnews.cn/ys/show-118547-1.html

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