Германий металл: технические характеристики и применение
Германий металл полупроводниковый материал с характерным серебристо-белым блеском и хрупкой структурой. В металлопрокате поставляется в виде слитков, пластин, дисков и мишеней для напыления. Основные физические параметры: плотность 5,323 г/см, температура плавления 938,25 C, ширина запрещённой зоны 0,67 эВ при 300 K. Кристаллическая решётка кубическая типа алмаза с периодом 0,56575 нм. Германий обладает высокой подвижностью носителей заряда (электронов 3900 см/(Вс), дырок 1900 см/(Вс)), что определяет его применение в высокочастотных и оптоэлектронных устройствах.
Сортамент и формы поставки
Промышленный германий выпускается в нескольких формах, различающихся по геометрии и чистоте:
- Слитки германия цилиндрические или прямоугольные заготовки массой от 1 до 20 кг, чистота 99,99999,9999 % (5N6N).
- Пластины германия шлифованные и полированные с одной или двух сторон, толщина от 0,3 до 5,0 мм, диаметр до 200 мм.
- Диски германия для оптических элементов (линзы, окна), диаметр от 10 до 150 мм, толщина от 1 до 10 мм.
- Мишени для магнетронного напыления диаметр от 50 до 300 мм, толщина от 3 до 10 мм, чистота 99,999 %.
- Порошок германия фракция от 0,5 до 50 мкм, чистота 99,99 %.
Химический состав и примеси
Содержание основного вещества в германии металлическом регламентируется стандартами ТУ 48-4-340-90 и ASTM B 440. Допустимые концентрации примесей:
| Примесь | Максимальное содержание, ppm | Влияние на свойства | Метод контроля | Типичное значение |
|---|---|---|---|---|
| Кремний (Si) | 1,0 | Снижает подвижность носителей | Масс-спектрометрия с ИСП | 0,30,8 |
| Медь (Cu) | 0,5 | Увеличивает ток утечки | Атомно-абсорбционная спектрометрия | 0,10,4 |
| Железо (Fe) | 0,5 | Ухудшает оптическую прозрачность в ИК-диапазоне | ИСП-МС | 0,20,5 |
| Кислород (O) | 2,0 | Образует термодоноры | Инфракрасная спектроскопия | 1,01,8 |
| Углерод (C) | 1,0 | Снижает механическую прочность | Метод плавления в вакууме | 0,50,9 |
Применение в промышленности
Германий металл востребован в нескольких ключевых отраслях:
- Оптоэлектроника изготовление линз, окон и призм для тепловизионных систем (спектральный диапазон 214 мкм), работающих в условиях от 40 до +70 C.
- Полупроводниковая промышленность подложки для эпитаксиального роста арсенида галлия (GaAs) и солнечных элементов с КПД до 40 %.
- Ядерная физика детекторы гамма-излучения на основе сверхчистого германия (HPGe) с энергетическим разрешением 0,1 % при 1,33 МэВ.
- Химическая промышленность катализаторы в производстве полиэтилентерефталата (ПЭТФ) и синтезе метанола.
- Металлургия легирующая добавка в алюминиевые сплавы (до 0,5 %) для повышения коррозионной стойкости и прочности.
Физико-механические свойства
Германий характеризуется следующими параметрами: твёрдость по Моосу 6,0, модуль упругости 103 ГПа, коэффициент теплового расширения 5,910 K (при 25 C). Теплопроводность составляет от 60 до 65 Вт/(мК) при 300 K. Удельное электрическое сопротивление собственного германия 47 Омсм. Материал хрупок при комнатной температуре, пластичность проявляется при нагреве выше 600 C. Германий устойчив к воздействию воды и разбавленных кислот, но растворяется в смеси азотной и плавиковой кислот.
Вопросы и ответы
Какой чистоты бывает германий металл?
Промышленный германий выпускается с чистотой от 99,999 % (5N) до 99,9999 % (6N). Для детекторов ядерного излучения используется сверхчистый германий с содержанием примесей менее 10 атомов/см.
В каких формах поставляется германий?
Основные формы поставки: слитки (120 кг), пластины (толщина от 0,3 до 5,0 мм), диски (диаметр до 150 мм), мишени для напыления (диаметр до 300 мм) и порошок (фракция от 0,5 до 50 мкм).
Какие примеси наиболее критичны для германия?
Наиболее критичны кремний, медь, железо, кислород и углерод. Кремний снижает подвижность носителей, медь увеличивает ток утечки, а кислород образует термодоноры, ухудшающие электрофизические параметры.
Где используется германий в оптике?
Германий применяется для изготовления линз, окон и призм в тепловизионных системах, работающих в инфракрасном диапазоне 214 мкм. Материал прозрачен в этом спектре и устойчив к термоциклированию от 40 до +70 C.