Materiale semiconduttore germanium Ge e sintesi di ossido di germanium per uso ottico

Germanio (Ge): Materiale Semiconduttore e Sintesi di Ossido di Germanio per Applicazioni Ottiche

Il germanio (Ge) è un elemento chimico con numero atomico 32 e peso atomico 72,64, situato nel Periodo 4, Gruppo IVA della tavola periodica. È un metalloide grigio-bianco, lucente e duro, con proprietà simili a quelle del silicio e dello stagno. Il germanio è insolubile in acqua, HCl diluito e alcali deboli ma si dissolve in acqua regia, HNO₃ concentrato o H₂SO₄. Esibisce un comportamento anfotero, sciogliendosi in alcali fusi, perossidi o nitrati/carbonati di metalli alcalini. Il germanio rimane stabile nell'aria in condizioni normali.

Applicazioni

1. Produzione di semiconduttori (transistor, diodi, ottiche IR).
2. Produzione di ossido di germanio (GeO₂) (fibre ottiche, fosfori).

Serie di prodotti

Informazioni sulla salute e la sicurezza

Specifiche di imballaggio

• Imballaggio standard: 50 kg/fusto, 500 kg/pallet, sacchi da tonnellata
• Imballaggio campione: 500 g/sacchetto, 1 kg/bottiglia

Proprietà chimiche del germanio

Il germanio è chimicamente stabile e non reagisce con l'aria o il vapore acqueo a temperatura ambiente, ma forma rapidamente diossido di germanio (GeO₂) a 600–700°C. Non reagisce con acido cloridrico o acido solforico diluito. In acido solforico concentrato caldo, il germanio si dissolve lentamente. Si dissolve facilmente in acido nitrico e acqua regia. La reazione tra soluzioni alcaline e germanio è debole, ma gli alcali fusi nell'aria possono dissolvere rapidamente il germanio. Il germanio non reagisce con il carbonio, quindi può essere fuso in crogioli di grafite senza contaminazione da carbonio.

Comportamento all'ossidazione

Il germanio si ossida a temperature relativamente elevate, accompagnato da perdita di peso dovuta alla formazione di GeO, che è altamente volatile. I ricercatori hanno studiato il processo di ossidazione delle superfici di germanio: prima, il germanio viene ridotto con CO a 600°C per rimuovere l'ossigeno legato alla superficie o adsorbito. Quindi, il germanio viene ossidato sotto una pressione di ossigeno di 10 kPa a 25–400°C, formando il primo strato di ossido in soli 1 minuto. Quando la temperatura supera i 250°C, il secondo strato di ossido si forma rapidamente. All'aumentare ulteriormente della temperatura, la velocità di ossidazione rallenta significativamente. Dopo l'ossidazione a 400°C per 3 ore, si forma un film di GeO₂ con uno spessore di 1,75 nm.

Comportamento alla dissoluzione in diversi solventi

Il germanio mostra diversi comportamenti di corrosione e dissoluzione in vari solventi. Il germanio di tipo N ha un potenziale di dissoluzione leggermente più positivo rispetto al tipo P, quindi si dissolve più velocemente nella stessa soluzione. Il germanio è facilmente solubile in acidi caldi, alcali caldi e H₂O₂ con ossidanti. È scarsamente solubile in acido solforico diluito, acido cloridrico e soluzioni alcaline fredde. Il germanio è insolubile in acqua a 100°C, ma in acqua satura di ossigeno a temperatura ambiente, la sua velocità di dissoluzione si avvicina a 1 μg/(cm·h).

Metodo di estrazione del germanio

Il metodo di estrazione del germanio prevede innanzitutto la clorurazione del concentrato di germanio con acido cloridrico concentrato per produrre tetracloruro di germanio (GeCl₄). L'impurità principale, l'arsenico, viene quindi rimossa mediante estrazione con solvente di acido cloridrico. Successivamente, il prodotto subisce due cicli di distillazione in una colonna di quarzo e viene lavato con acido cloridrico ad alta purezza per ottenere GeCl₄ ad alta purezza. L'acqua ad alta purezza viene utilizzata per idrolizzare GeCl₄, ottenendo diossido di germanio ad alta purezza (GeO₂). Alcune impurità rimangono nel liquor madre di idrolisi, quindi il processo di idrolisi funge anche da fase di purificazione. Il GeO₂ puro viene essiccato e calcinato, quindi ridotto con idrogeno a 650–680°C in un tubo di quarzo all'interno di un forno di riduzione per ottenere germanio metallico. Il germanio ad altissima purezza per l'industria dei semiconduttori (con impurità inferiori a 1/10¹⁰) può essere ottenuto utilizzando la tecnologia di raffinazione a zona.

Reazioni chiave

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