Material Semicondutor de Germânio Ge em Massa Negra e Síntese de Óxido de Germânio para Óptica

Germânio (Ge): Material Semicondutor e Síntese de Óxido de Germânio para Aplicações Óticas

O Germânio (Ge) é um elemento químico com número atômico 32 e peso atômico 72,64, localizado no Período 4, Grupo IVA da tabela periódica. É um metaloide cinza-branco, lustroso e duro, com propriedades semelhantes às do silício e do estanho. O Germânio é insolúvel em água, HCl diluído e álcalis fracos mas dissolve-se em água régia, HNO₃ concentrado ou H₂SO₄. Exibe comportamento anfótero, dissolvendo-se em álcalis fundidos, peróxidos ou nitratos/carbonatos de metais alcalinos. O germânio permanece estável no ar em condições normais.

Aplicações

1. Fabricação de semicondutores (transistores, diodos, ótica IR).
2. Produção de óxido de germânio (GeO₂) (fibra ótica, fósforos).

Série de Produtos

Informações de Saúde e Segurança

Especificações de Embalagem

• Embalagem padrão: 50 kg/tambor, 500 kg/palete, sacos de tonelada
• Embalagem de amostra: 500 g/saco, 1 kg/frasco

Propriedades Químicas do Germânio

O germânio é quimicamente estável e não reage com o ar ou vapor de água à temperatura ambiente, mas forma rapidamente dióxido de germânio (GeO₂) a 600–700°C. Não reage com ácido clorídrico ou ácido sulfúrico diluído. Em ácido sulfúrico concentrado quente, o germânio dissolve-se lentamente. Dissolve-se facilmente em ácido nítrico e água régia. A reação entre soluções alcalinas e germânio é fraca, mas álcalis fundidos no ar podem dissolver rapidamente o germânio. O germânio não reage com carbono, por isso pode ser fundido em cadinhos de grafite sem contaminação por carbono.

Comportamento de Oxidação

O germânio oxida a temperaturas relativamente altas, acompanhado por perda de peso devido à formação de GeO, que é altamente volátil. Os pesquisadores estudaram o processo de oxidação das superfícies de germânio: primeiro, o germânio é reduzido com CO a 600°C para remover o oxigênio ligado à superfície ou adsorvido. Em seguida, o germânio é oxidado sob pressão de oxigênio de 10 kPa a 25–400°C, formando a primeira camada de óxido em apenas 1 minuto. Quando a temperatura excede 250°C, a segunda camada de óxido se forma rapidamente. À medida que a temperatura aumenta ainda mais, a taxa de oxidação diminui significativamente. Após a oxidação a 400°C por 3 horas, forma-se um filme de GeO₂ com uma espessura de 1,75 nm.

Comportamento de Dissolução em Diferentes Solventes

O germânio exibe diferentes comportamentos de corrosão e dissolução em vários solventes. O germânio do tipo N tem um potencial de dissolução ligeiramente mais positivo do que o do tipo p, por isso dissolve-se mais rapidamente na mesma solução. O germânio é facilmente solúvel em ácidos quentes, álcalis quentes e H₂O₂ com oxidantes. É pouco solúvel em ácido sulfúrico diluído, ácido clorídrico e soluções alcalinas frias. O germânio é insolúvel em água a 100°C, mas em água saturada com oxigênio à temperatura ambiente, sua taxa de dissolução se aproxima de 1 μg/(cm·h).

Método de Extração de Germânio

O método de extração de germânio envolve primeiro a cloração do concentrado de germânio com ácido clorídrico concentrado para produzir tetracloreto de germânio (GeCl₄). A principal impureza, o arsênio, é então removida por extração com solvente de ácido clorídrico. Em seguida, o produto passa por duas rodadas de destilação em uma coluna de quartzo e é lavado com ácido clorídrico de alta pureza para obter GeCl₄ de alta pureza. Água de alta pureza é usada para hidrolisar GeCl₄, produzindo dióxido de germânio de alta pureza (GeO₂). Algumas impurezas permanecem no licor-mãe de hidrólise, portanto, o processo de hidrólise também serve como uma etapa de purificação. O GeO₂ puro é seco e calcinado, depois reduzido com hidrogênio a 650–680°C em um tubo de quartzo dentro de um forno de redução para obter germânio metálico. Germânio de ultra-alta pureza para a indústria de semicondutores (com impurezas abaixo de 1/10¹⁰) pode ser obtido usando a tecnologia de refino por zona.

Reações Chave

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