Germanium adalah logam semikonduktor berwarna perak yang jarang digunakan dalam teknologi inframerah, kabel serat optik, dan sel surya.
Properti
- Simbol Atom: Ge
- Nomor Atom: 32
- Kategori Elemen: Metalloid
- Kepadatan: 5,323 g / cm3
- Titik lebur: 1720,85 ° F (938,25 ° C)
- Titik Didih: 5131 ° F (2833 ° C)
- Kekerasan Mohs: 6.0
Karakteristik
Secara teknis, germanium diklasifikasikan sebagai a metaloid atau semi-logam. Salah satu dari sekelompok elemen yang memiliki sifat logam dan non-logam.
Dalam bentuk logamnya, germanium berwarna perak, keras, dan rapuh.
Karakteristik Germanium yang unik meliputi transparansi terhadap radiasi elektromagnetik inframerah-dekat (pada panjang gelombang antara 1600-1800 nanometer), indeks bias tinggi, dan optik rendah penyebaran.
Metaloid juga secara intrinsik bersifat semikonduktif.
Sejarah
Demitri Mendeleev, bapak tabel periodik, meramalkan keberadaan elemen nomor 32, yang ia beri nama ekasilikon, pada tahun 1869. Tujuh belas tahun kemudian ahli kimia Clemens A. Winkler menemukan dan mengisolasi elemen dari argyrodite mineral langka (Ag8GeS6). Dia menamai elemen itu dengan nama asalnya, Jerman.
Selama 1920-an, penelitian tentang sifat-sifat listrik germanium menghasilkan pengembangan germanium kristal tunggal dengan kemurnian tinggi. Germanium kristal tunggal digunakan sebagai dioda penyearah pada penerima radar gelombang mikro selama Perang Dunia II.
Aplikasi komersial pertama untuk germanium datang setelah perang, setelah penemuan transistor oleh John Bardeen, Walter Brattain, dan William Shockley di Bell Labs pada bulan Desember 1947. Pada tahun-tahun berikutnya, transistor yang mengandung germanium masuk ke peralatan switching telepon, komputer militer, alat bantu dengar dan radio portabel.
Segalanya mulai berubah setelah tahun 1954, ketika Gordon Teal dari Texas Instruments menemukan sebuah silikon transistor. Transistor Germanium memiliki kecenderungan gagal pada suhu tinggi, masalah yang dapat diselesaikan dengan silikon. Sampai Teal, tidak ada yang bisa menghasilkan silikon dengan kemurnian yang cukup tinggi untuk menggantikan germanium, tetapi setelah 1954 silikon mulai mengganti germanium dalam transistor elektronik, dan pada pertengahan 1960-an, transistor germanium sebenarnya tidak ada.
Aplikasi baru akan datang. Keberhasilan germanium dalam transistor awal menyebabkan lebih banyak penelitian dan realisasi sifat inframerah germanium. Pada akhirnya, ini menghasilkan metaloid yang digunakan sebagai komponen utama lensa dan jendela inframerah (IR).
Misi eksplorasi ruang angkasa Voyager pertama yang diluncurkan pada 1970-an mengandalkan daya yang dihasilkan oleh sel fotovoltaik silikon-germanium (SiGe). PVC berbasis Germanium masih penting untuk operasi satelit.
Pengembangan dan perluasan atau jaringan serat optik pada 1990-an menyebabkan meningkatnya permintaan germanium, yang digunakan untuk membentuk inti kaca kabel serat optik.
Pada tahun 2000, PVC efisiensi tinggi dan dioda pemancar cahaya (LED) yang tergantung pada substrat germanium telah menjadi konsumen besar elemen ini.
Produksi
Seperti kebanyakan logam kecil, germanium diproduksi sebagai produk sampingan dari pemurnian logam dasar dan tidak ditambang sebagai bahan utama.
Germanium paling sering diproduksi dari sphalerite seng bijih tetapi juga dikenal diekstraksi dari batubara fly ash (dihasilkan dari pembangkit listrik batubara) dan beberapa tembaga bijih.
Terlepas dari sumber bahan, semua konsentrat germanium pertama kali dimurnikan menggunakan proses klorinasi dan distilasi yang menghasilkan germanium tetrachloride (GeCl4). Germanium tetraklorida kemudian dihidrolisis dan dikeringkan, menghasilkan germanium dioksida (GeO2). Oksida kemudian direduksi dengan hidrogen untuk membentuk bubuk logam germanium.
Serbuk Germanium dimasukkan ke dalam batangan pada suhu di atas 1720,85 ° F (938,25 ° C).
Pemurnian zona (proses peleburan dan pendinginan) batang mengisolasi dan menghilangkan kotoran dan, pada akhirnya, menghasilkan batang germanium dengan kemurnian tinggi. Logam germanium komersial seringkali lebih dari 99,999% murni.
Germanium yang disempurnakan dengan zona selanjutnya dapat tumbuh menjadi kristal, yang diiris menjadi potongan-potongan tipis untuk digunakan dalam semikonduktor dan lensa optik.
Produksi global germanium diperkirakan oleh US Geological Survey (USGS) sekitar 120 metrik ton pada 2011 (mengandung germanium).
Diperkirakan 30% dari produksi germanium tahunan dunia didaur ulang dari bahan bekas, seperti lensa IR yang sudah pensiun. Diperkirakan 60% germanium yang digunakan dalam sistem IR kini didaur ulang.
Negara-negara penghasil germanium terbesar dipimpin oleh Cina, di mana dua pertiga dari semua germanium diproduksi pada 2011. Produsen besar lainnya termasuk Kanada, Rusia, Amerika Serikat, dan Belgia.
Produsen germanium utama termasuk Teck Resources Ltd, Yunnan Lincang Xinyuan Germanium Industrial Co., Umicore, dan Nanjing Germanium Co.
Aplikasi
Menurut USGS, aplikasi germanium dapat diklasifikasikan ke dalam 5 kelompok (diikuti oleh perkiraan persentase total konsumsi):
- Optik IR - 30%
- Serat Optik - 20%
- Polyethylene terephthalate (PET) - 20%
- Elektronik dan solar - 15%
- Fosfor, metalurgi dan organik - 5%
Kristal Germanium ditanam dan dibentuk menjadi lensa dan jendela untuk IR atau sistem optik pencitraan termal. Sekitar setengah dari semua sistem seperti itu, yang sangat bergantung pada permintaan militer, termasuk germanium.
Sistem mencakup perangkat kecil yang dipegang dengan tangan dan terpasang di senjata, serta sistem yang dipasang di darat, darat, dan darat. Upaya telah dilakukan untuk menumbuhkan pasar komersial untuk sistem IR berbasis germanium, seperti pada mobil kelas atas, tetapi aplikasi nonmiliter masih hanya sekitar 12% dari permintaan.
Germanium tetrachloride digunakan sebagai dopan - atau aditif - untuk meningkatkan indeks bias dalam inti gelas silika dari garis serat optik. Dengan memasukkan germanium, kehilangan sinyal dapat dicegah dapat dicegah.
Bentuk germanium juga digunakan dalam substrat untuk menghasilkan PVC untuk pembangkit berbasis ruang (satelit) dan terestrial.
Substrat Germanium membentuk satu lapisan dalam sistem multilayer yang juga menggunakan gallium, indium fosfida, dan galium arsenide. Sistem semacam itu, dikenal sebagai photovoltaics pekat (CPV) karena penggunaan lensa konsentrat yang memperbesar cahaya matahari sebelum dikonversi menjadi energi, memiliki tingkat efisiensi tinggi tetapi lebih mahal untuk diproduksi daripada silikon kristalin atau tembaga-indium-gallium-diselenide (CIGS) sel.
Sekitar 17 metrik ton germanium dioksida digunakan sebagai katalis polimerisasi dalam produksi plastik PET setiap tahun. Plastik PET terutama digunakan dalam makanan, minuman, dan wadah cair.
Meskipun gagal sebagai transistor pada 1950-an, germanium sekarang digunakan bersama-sama dengan silikon dalam komponen transistor untuk beberapa ponsel dan perangkat nirkabel. Transistor SiGe memiliki kecepatan switching yang lebih besar dan menggunakan daya lebih kecil dari teknologi berbasis silikon. Salah satu aplikasi penggunaan akhir untuk chip SiGe adalah dalam sistem keamanan otomotif.
Kegunaan lain untuk germanium dalam elektronik termasuk chip memori in-phase, yang menggantikan banyak memori flash perangkat elektronik karena manfaat hemat energi mereka, serta substrat yang digunakan dalam produksi LED.
Sumber:
USGS. Buku Tahunan Mineral 2010: Germanium. David E. Guberman.
http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/germanium/
Asosiasi Perdagangan Logam Kecil (MMTA). Germanium
http://www.mmta.co.uk/metals/Ge/
Museum CK722. Jack Ward.
http://www.ck722museum.com/