흑괴상 게르마늄 Ge 반도체 재료 및 광학용 산화 게르마늄 합성

게르마늄 (Ge): 반도체 재료 및 광학 응용을 위한 게르마늄 산화물 합성

게르마늄 (Ge)은 원자 번호 32, 원자량 72.64인 화학 원소로, 주기율표의 4주기, IVA족에 위치합니다. 광택이 나는 단단한 회백색 준금속으로, 실리콘 및 주석과 유사한 성질을 가지고 있습니다. 게르마늄은 물, 묽은 염산, 약한 알칼리에 녹지 않지만, 왕수, 진한 HNO₃ 또는 H₂SO₄에는 녹습니다. 양쪽성 거동을 보이며, 용융 알칼리, 과산화물 또는 알칼리 금속 질산염/탄산염에 녹습니다. 게르마늄은 정상적인 조건에서 공기 중에서 안정합니다.

응용 분야

1. 반도체 제조 (트랜지스터, 다이오드, IR 광학).
2. 게르마늄 산화물 (GeO₂) 생산 (광섬유, 형광체).

제품 시리즈

건강 및 안전 정보

포장 사양

• 표준 포장: 50 kg/드럼, 500 kg/팔레트, 톤 백
• 샘플 포장: 500 g/백, 1 kg/병

게르마늄의 화학적 특성

게르마늄은 화학적으로 안정하며 실온에서 공기 또는 수증기와 반응하지 않지만, 600–700°C에서 빠르게 이산화 게르마늄 (GeO₂)을 형성합니다. 염산 또는 묽은 황산과는 반응하지 않습니다. 뜨겁고 진한 황산에서는 게르마늄이 천천히 녹습니다. 질산과 왕수에는 쉽게 녹습니다. 알칼리 용액과 게르마늄의 반응은 약하지만, 공기 중의 용융 알칼리는 게르마늄을 빠르게 용해시킬 수 있습니다. 게르마늄은 탄소와 반응하지 않으므로, 탄소 오염 없이 흑연 도가니에서 용융될 수 있습니다.

산화 거동

게르마늄은 비교적 높은 온도에서 산화되며, 휘발성이 높은 GeO의 형성에 의해 무게 감소가 동반됩니다. 연구자들은 게르마늄 표면의 산화 과정을 연구했습니다. 먼저, 게르마늄은 600°C에서 CO로 환원되어 표면에 결합되거나 흡착된 산소를 제거합니다. 그런 다음, 게르마늄은 10 kPa 산소 압력에서 25–400°C에서 산화되어 단 1분 이내에 첫 번째 산화물 층을 형성합니다. 온도가 250°C를 초과하면 두 번째 산화물 층이 빠르게 형성됩니다. 온도가 더 높아지면 산화 속도가 현저히 느려집니다. 400°C에서 3시간 동안 산화시킨 후, 1.75 nm 두께의 GeO₂ 필름이 형성됩니다.

다양한 용매에서의 용해 거동

게르마늄은 다양한 용매에서 서로 다른 부식 및 용해 거동을 보입니다. N형 게르마늄은 p형보다 약간 더 긍정적인 용해 전위를 가지므로, 동일한 용액에서 더 빠르게 용해됩니다. 게르마늄은 뜨거운 산, 뜨거운 알칼리 및 산화제가 있는 H₂O₂에 쉽게 용해됩니다. 묽은 황산, 염산 및 차가운 알칼리 용액에는 잘 녹지 않습니다. 게르마늄은 100°C의 물에는 녹지 않지만, 실온에서 산소 포화된 물에서는 용해 속도가 1 μg/(cm·h)에 접근합니다.

게르마늄 추출 방법

게르마늄 추출 방법은 먼저 게르마늄 농축물을 진한 염산으로 염화하여 사염화 게르마늄 (GeCl₄)을 생성하는 것입니다. 주요 불순물인 비소는 염산 용매 추출을 통해 제거됩니다. 다음으로, 제품은 석영 컬럼에서 두 번의 증류를 거치고 고순도 염산으로 세척하여 고순도 GeCl₄를 얻습니다. 고순도 물을 사용하여 GeCl₄를 가수분해하여 고순도 이산화 게르마늄 (GeO₂)을 얻습니다. 일부 불순물이 가수분해 모액에 남아 있으므로, 가수분해 과정은 정제 단계 역할도 합니다. 순수한 GeO₂는 건조 및 소성된 후, 환원로 내 석영 튜브에서 650–680°C에서 수소로 환원되어 금속 게르마늄을 얻습니다. 반도체 산업용 초고순도 게르마늄 (불순물 1/10¹⁰ 미만)은 존 정련 기술을 사용하여 얻을 수 있습니다.

주요 반응

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