سنگ سیاه مواد نیمه هادی جرمنیوم و اکسید جرمنیوم برای سنتز نوری

ژرمانیم (Ge): ماده نیمه‌رسانا و سنتز اکسید ژرمانیم برای کاربردهای نوری

ژرمانیم (Ge) یک عنصر شیمیایی با عدد اتمی 32 و وزن اتمی 72.64 است که در دوره 4، گروه IVA جدول تناوبی قرار دارد. این یک شبه فلز خاکستری-سفید سخت و براق است که خواصی مشابه سیلیسیم و قلع دارد. ژرمانیم در آب، HCl رقیق و قلیاهای ضعیف نامحلول است اما در تیزاب سلطانی، HNO₃ غلیظ یا H₂SO₄ حل می‌شود. این رفتار آمفوتریک از خود نشان می‌دهد و در قلیاهای مذاب، پراکسیدها یا نیترات‌ها/کربنات‌های فلزات قلیایی حل می‌شود. ژرمانیم در شرایط عادی در هوا پایدار می‌ماند.

کاربردها

1. ساخت نیمه‌رساناها (ترانزیستورها، دیودها، اپتیک IR).
2. تولید اکسید ژرمانیم (GeO₂) (فیبر نوری، فسفرها).

سری محصولات

اطلاعات بهداشت و ایمنی

مشخصات بسته‌بندی

• بسته‌بندی استاندارد: 50 کیلوگرم/بشکه، 500 کیلوگرم/پالت، کیسه‌های تنی
• بسته‌بندی نمونه: 500 گرم/کیسه، 1 کیلوگرم/بطری

خواص شیمیایی ژرمانیم

ژرمانیم از نظر شیمیایی پایدار است و در دمای اتاق با هوا یا بخار آب واکنش نمی‌دهد، اما به سرعت دی‌اکسید ژرمانیم (GeO₂) را در دمای 600 تا 700 درجه سانتی‌گراد تشکیل می‌دهد. با اسید هیدروکلریک یا اسید سولفوریک رقیق واکنش نمی‌دهد. در اسید سولفوریک غلیظ داغ، ژرمانیم به آرامی حل می‌شود. به راحتی در اسید نیتریک و تیزاب سلطانی حل می‌شود. واکنش بین محلول‌های قلیایی و ژرمانیم ضعیف است، اما قلیاهای مذاب در هوا می‌توانند ژرمانیم را به سرعت حل کنند. ژرمانیم با کربن واکنش نمی‌دهد، بنابراین می‌توان آن را در بوته‌های گرافیتی بدون آلودگی کربن ذوب کرد.

رفتار اکسیداسیون

ژرمانیم در دماهای نسبتاً بالا اکسید می‌شود که با کاهش وزن به دلیل تشکیل GeO همراه است که بسیار فرار است. محققان فرآیند اکسیداسیون سطوح ژرمانیم را مطالعه کرده‌اند: ابتدا ژرمانیم با CO در دمای 600 درجه سانتی‌گراد احیا می‌شود تا اکسیژن متصل به سطح یا جذب شده حذف شود. سپس، ژرمانیم تحت فشار اکسیژن 10 کیلو پاسکال در دمای 25 تا 400 درجه سانتی‌گراد اکسید می‌شود و اولین لایه اکسید را در عرض 1 دقیقه تشکیل می‌دهد. هنگامی که دما از 250 درجه سانتی‌گراد تجاوز کند، لایه اکسید دوم به سرعت تشکیل می‌شود. با افزایش بیشتر دما، سرعت اکسیداسیون به طور قابل توجهی کاهش می‌یابد. پس از اکسیداسیون در دمای 400 درجه سانتی‌گراد به مدت 3 ساعت، یک لایه GeO₂ با ضخامت 1.75 نانومتر تشکیل می‌شود.

رفتار انحلال در حلال‌های مختلف

ژرمانیم رفتارهای خوردگی و انحلال متفاوتی را در حلال‌های مختلف نشان می‌دهد. ژرمانیم نوع N پتانسیل انحلال کمی مثبت‌تر از نوع p دارد، بنابراین در همان محلول سریع‌تر حل می‌شود. ژرمانیم به راحتی در اسیدهای داغ، قلیاهای داغ و H₂O₂ با اکسیدکننده‌ها محلول است. به سختی در اسید سولفوریک رقیق، اسید هیدروکلریک و محلول‌های قلیایی سرد محلول است. ژرمانیم در آب در دمای 100 درجه سانتی‌گراد نامحلول است، اما در آب اشباع شده با اکسیژن در دمای اتاق، سرعت انحلال آن به 1 میکروگرم/(سانتی‌متر·ساعت) نزدیک می‌شود.

روش استخراج ژرمانیم

روش استخراج ژرمانیم شامل کلرزنی کنسانتره ژرمانیم با اسید هیدروکلریک غلیظ برای تولید تتراکلرید ژرمانیم (GeCl₄) است. ناخالصی اصلی، آرسنیک، سپس با استخراج حلال اسید هیدروکلریک حذف می‌شود. در مرحله بعد، محصول دو دور تقطیر در یک ستون کوارتز انجام می‌شود و با اسید هیدروکلریک با خلوص بالا شسته می‌شود تا GeCl₄ با خلوص بالا به دست آید. از آب با خلوص بالا برای هیدرولیز GeCl₄ استفاده می‌شود و دی‌اکسید ژرمانیم (GeO₂) با خلوص بالا به دست می‌آید. برخی از ناخالصی‌ها در مایع مادری هیدرولیز باقی می‌مانند، بنابراین فرآیند هیدرولیز به عنوان یک مرحله تصفیه نیز عمل می‌کند. GeO₂ خالص خشک و کلسینه می‌شود، سپس با هیدروژن در دمای 650 تا 680 درجه سانتی‌گراد در یک لوله کوارتز در داخل یک کوره احیا برای به دست آوردن ژرمانیم فلزی احیا می‌شود. ژرمانیم با خلوص فوق‌العاده بالا برای صنعت نیمه‌رساناها (با ناخالصی‌های زیر 1/10⁰) را می‌توان با استفاده از فناوری تصفیه منطقه‌ای به دست آورد.

واکنش‌های کلیدی

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