Matériau semi-conducteur germanium gé et synthèse d'oxyde de germanium pour optique

Germanium (Ge) : Matériau semi-conducteur et synthèse d'oxyde de germanium pour applications optiques

Le germanium (Ge) est un élément chimique de numéro atomique 32 et de masse atomique 72,64, situé dans la Période 4, Groupe IVA du tableau périodique. C'est un métalloïde gris-blanc, dur et brillant, avec des propriétés similaires à celles du silicium et de l'étain. Le germanium est insoluble dans l'eau, HCl dilué et les alcalis faibles mais se dissout dans l'eau régale, HNO₃ concentré ou H₂SO₄. Il présente un comportement amphotère, se dissolvant dans les alcalis fondus, les peroxydes ou les nitrates/carbonates de métaux alcalins. Le germanium reste stable à l'air dans des conditions normales.

Applications

1. Fabrication de semi-conducteurs (transistors, diodes, optique IR).
2. Production d'oxyde de germanium (GeO₂) (fibres optiques, luminophores).

Série de produits

Informations de santé et de sécurité

Spécifications d'emballage

• Emballage standard : 50 kg/fût, 500 kg/palette, sacs de tonne
• Emballage d'échantillon : 500 g/sac, 1 kg/bouteille

Propriétés chimiques du germanium

Le germanium est chimiquement stable et ne réagit pas avec l'air ou la vapeur d'eau à température ambiante, mais forme rapidement du dioxyde de germanium (GeO₂) à 600–700°C. Il ne réagit pas avec l'acide chlorhydrique ou l'acide sulfurique dilué. Dans l'acide sulfurique concentré chaud, le germanium se dissout lentement. Il se dissout facilement dans l'acide nitrique et l'eau régale. La réaction entre les solutions alcalines et le germanium est faible, mais les alcalis fondus à l'air peuvent dissoudre rapidement le germanium. Le germanium ne réagit pas avec le carbone, il peut donc être fondu dans des creusets en graphite sans contamination par le carbone.

Comportement à l'oxydation

Le germanium s'oxyde à des températures relativement élevées, ce qui s'accompagne d'une perte de poids due à la formation de GeO, qui est très volatil. Les chercheurs ont étudié le processus d'oxydation des surfaces de germanium : tout d'abord, le germanium est réduit avec du CO à 600°C pour éliminer l'oxygène lié à la surface ou adsorbé. Ensuite, le germanium est oxydé sous une pression d'oxygène de 10 kPa à 25–400°C, formant la première couche d'oxyde en seulement 1 minute. Lorsque la température dépasse 250°C, la deuxième couche d'oxyde se forme rapidement. Au fur et à mesure que la température augmente, la vitesse d'oxydation ralentit considérablement. Après oxydation à 400°C pendant 3 heures, un film de GeO₂ d'une épaisseur de 1,75 nm est formé.

Comportement de dissolution dans différents solvants

Le germanium présente différents comportements de corrosion et de dissolution dans divers solvants. Le germanium de type N a un potentiel de dissolution légèrement plus positif que celui de type P, il se dissout donc plus rapidement dans la même solution. Le germanium est facilement soluble dans les acides chauds, les alcalis chauds et H₂O₂ avec des oxydants. Il est peu soluble dans l'acide sulfurique dilué, l'acide chlorhydrique et les solutions alcalines froides. Le germanium est insoluble dans l'eau à 100°C, mais dans l'eau saturée d'oxygène à température ambiante, sa vitesse de dissolution approche 1 µg/(cm·h).

Méthode d'extraction du germanium

La méthode d'extraction du germanium consiste d'abord à chlorurer le concentré de germanium avec de l'acide chlorhydrique concentré pour produire du tétrachlorure de germanium (GeCl₄). L'impureté principale, l'arsenic, est ensuite éliminée par extraction au solvant à l'acide chlorhydrique. Ensuite, le produit subit deux étapes de distillation dans une colonne de quartz et est lavé avec de l'acide chlorhydrique de haute pureté pour obtenir du GeCl₄ de haute pureté. De l'eau de haute pureté est utilisée pour hydrolyser le GeCl₄, ce qui donne du dioxyde de germanium de haute pureté (GeO₂). Certaines impuretés restent dans la liqueur mère d'hydrolyse, le processus d'hydrolyse sert donc également d'étape de purification. Le GeO₂ pur est séché et calciné, puis réduit avec de l'hydrogène à 650–680°C dans un tube de quartz à l'intérieur d'un four de réduction pour obtenir du germanium métallique. Du germanium de très haute pureté pour l'industrie des semi-conducteurs (avec des impuretés inférieures à 1/10¹⁰) peut être obtenu en utilisant la technologie de raffinage de zone.

Réactions clés

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