كتلة سوداء من الجرمانيوم Ge مادة أشباه الموصلات وأكسيد الجرمانيوم للتوليف البصري

الجرمانيوم (Ge): مادة أشباه الموصلات وتخليق أكسيد الجرمانيوم للتطبيقات البصرية

الجرمانيوم (Ge) هو عنصر كيميائي يحمل العدد الذري 32 والوزن الذري 72.64، ويقع في الدورة 4، المجموعة IVA من الجدول الدوري. وهو فلز شبيه بالفلز لامع وصلب ورمادي مائل إلى البياض وله خصائص مشابهة للسيليكون والقصدير. الجرمانيوم غير قابل للذوبان في الماء وحمض الهيدروكلوريك المخفف والقلويات الضعيفة ولكنه يذوب في الماء الملكي وحمض HNO₃ المركز أو H₂SO₄. يظهر سلوكًا مذبذبًا، حيث يذوب في القلويات المنصهرة أو البيروكسيدات أو نترات/كربونات المعادن القلوية. يبقى الجرمانيوم مستقرًا في الهواء في الظروف العادية.

التطبيقات

1. تصنيع أشباه الموصلات (الترانزستورات، الثنائيات، البصريات تحت الحمراء).
2. إنتاج أكسيد الجرمانيوم (GeO₂) (الألياف الضوئية، الفوسفور).

سلسلة المنتجات

معلومات الصحة والسلامة

مواصفات التعبئة والتغليف

• التعبئة القياسية: 50 كجم/برميل، 500 كجم/منصة نقالة، أكياس طن
• تعبئة العينات: 500 جم/كيس، 1 كجم/زجاجة

الخصائص الكيميائية للجرمانيوم

الجرمانيوم مستقر كيميائيًا ولا يتفاعل مع الهواء أو بخار الماء في درجة حرارة الغرفة، ولكنه يشكل بسرعة ثاني أكسيد الجرمانيوم (GeO₂) عند 600–700 درجة مئوية. لا يتفاعل مع حمض الهيدروكلوريك أو حمض الكبريتيك المخفف. في حمض الكبريتيك المركز الساخن، يذوب الجرمانيوم ببطء. يذوب بسهولة في حمض النيتريك والماء الملكي. التفاعل بين المحاليل القلوية والجرمانيوم ضعيف، لكن القلويات المنصهرة في الهواء يمكن أن تذيب الجرمانيوم بسرعة. لا يتفاعل الجرمانيوم مع الكربون، لذلك يمكن صهره في بوتقات الجرافيت دون تلوث بالكربون.

سلوك الأكسدة

يتأكسد الجرمانيوم في درجات حرارة عالية نسبيًا، مصحوبًا بفقدان الوزن بسبب تكوين GeO، وهو متطاير للغاية. درس الباحثون عملية أكسدة أسطح الجرمانيوم: أولاً، يتم اختزال الجرمانيوم باستخدام CO عند 600 درجة مئوية لإزالة الأكسجين المرتبط بالسطح أو الممتص. ثم، يتأكسد الجرمانيوم تحت ضغط أكسجين يبلغ 10 كيلو باسكال عند 25–400 درجة مئوية، مما يشكل الطبقة الأولى من الأكسيد في غضون دقيقة واحدة فقط. عندما تتجاوز درجة الحرارة 250 درجة مئوية، تتشكل الطبقة الثانية من الأكسيد بسرعة. مع زيادة درجة الحرارة، تتباطأ معدل الأكسدة بشكل كبير. بعد الأكسدة عند 400 درجة مئوية لمدة 3 ساعات، تتشكل طبقة GeO₂ بسمك 1.75 نانومتر.

سلوك الذوبان في المذيبات المختلفة

يظهر الجرمانيوم سلوكيات تآكل وذوبان مختلفة في المذيبات المختلفة. يتمتع الجرمانيوم من النوع N بإمكانية ذوبان أكثر إيجابية قليلاً من النوع p، لذا فإنه يذوب بشكل أسرع في نفس المحلول. يذوب الجرمانيوم بسهولة في الأحماض الساخنة والقلويات الساخنة و H₂O₂ مع المؤكسدات. وهو قليل الذوبان في حمض الكبريتيك المخفف وحمض الهيدروكلوريك والمحاليل القلوية الباردة. الجرمانيوم غير قابل للذوبان في الماء عند 100 درجة مئوية، ولكن في الماء المشبع بالأكسجين في درجة حرارة الغرفة، يقترب معدل ذوبانه من 1 ميكروغرام/(سم.ساعة).

طريقة استخلاص الجرمانيوم

تتضمن طريقة استخلاص الجرمانيوم أولاً كلورة مركز الجرمانيوم بحمض الهيدروكلوريك المركز لإنتاج رابع كلوريد الجرمانيوم (GeCl₄). ثم تتم إزالة الشوائب الرئيسية، الزرنيخ، عن طريق استخلاص مذيب حمض الهيدروكلوريك. بعد ذلك، يخضع المنتج لجولتين من التقطير في عمود كوارتز ويغسل بحمض الهيدروكلوريك عالي النقاء للحصول على GeCl₄ عالي النقاء. يستخدم الماء عالي النقاء لتحلل GeCl₄، مما يؤدي إلى الحصول على ثاني أكسيد الجرمانيوم عالي النقاء (GeO₂). تبقى بعض الشوائب في سائل الأم التحلل المائي، لذا فإن عملية التحلل المائي تعمل أيضًا كخطوة تنقية. يتم تجفيف GeO₂ النقي وتكليسه، ثم يتم اختزاله بالهيدروجين عند 650–680 درجة مئوية في أنبوب كوارتز داخل فرن اختزال للحصول على الجرمانيوم المعدني. يمكن الحصول على الجرمانيوم فائق النقاء لصناعة أشباه الموصلات (بشوائب أقل من 1/10¹⁰) باستخدام تقنية تنقية المنطقة.

التفاعلات الرئيسية

$$4\text{HCl}+{\text{GeO}}^2\to {\text{GeCl}}^4+2{\text{H}}^2\text{O}$$$${\text{GeCl}}^4+(n+2){\text{H}}^2\text{O}\to {\text{GeO}}^2\cdot n{\text{H}}^2\text{O}+4\text{HCl}$$$${\text{GeO}}^2+2{\text{H}}^2\to \text{Ge}+2{\text{H}}^2\text{O}$$