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《古風其十七 金華牧羊兒》原文及翻譯賞析

朝代:唐朝作者:李白

[拼音]:zhe

[英文]:germanium

元素符號Ge,銀灰色脆性金屬,也有人將鍺歸入半金屬,光澤美麗。在元素週期表中屬ⅣA族,原子序數32,原子量72.59,金剛石型點陣,常見化合價為+4。鍺是電晶體中首先使用的半導體材料,對固體物理和固體電子學的發展起過重要作用。

1871年俄國人門捷列夫(Д.И.Μенделеев)根據週期律預言自然界存在一種厚子量為72的化學元素,性質和矽相似,稱之為“類矽”。1886年德國人溫克勒(C.A.Winkler)在分析硫銀鍺礦時發現和分離出這個元素,並以他的祖國Germany命名。

資源

鍺礦物主要有硫銀鍺礦(4Ag2S·GeS2),含鍺6~7%;黑硫銀錫礦[4Ag2S+(Sn,Ge)S2],含鍺1.8%;鍺石(3Cu2S·FeS·2GeS2),含鍺8~9%;硫鍺鐵銅礦(Cu,Fe)3(Fe,Ge,Zn,Sn)(S,As)4,含鍺7.8%;但都很稀少。鍺通常以伴生狀態存在於閃鋅礦、某些鐵礦及其他硫化礦物中。閃鋅礦含鍺量約為 0.01~0.1%。各種煤含鍺在0.001~0.1%之間,低灰分煤(亮煤)中含鍺較多。

鍺是鋅電解時最有害的雜質之一,當電解液中含鍺超過 0.1毫克/升時,必須將鍺除去。現代工業生產的鍺主要是銅、鉛、鋅冶煉的副產品(見重金屬冶金資源的綜合回收)。

70年代末世界上每年生產的鍺約110噸(不包括廢鍺回收)。1980年美國市場本徵鍺的價格約為784美元/公斤。二氧化鍺為487美元/公斤。

中國於1959年開始從含鍺的氧化鉛鋅礦、閃鋅礦和煤灰中回收鍺,並進行工業生產。

性質和用途

鍺具有半導體性質。在高純金屬鍺中摻入三價元素如銦、鎵、硼等,得到p型鍺;摻入五價元素如銻、砷、磷等,得到n型鍺。鍺的禁頻寬度 (300K)0.67電子伏,本徵電阻率(27℃)47歐姆·釐米,電子遷移率3900±100釐米2/(伏·秒),空穴遷移率1900±50釐米2/(伏·秒),電子擴散係數100釐米2/秒,空穴擴散係數48.7釐米2/秒。

《古風其十七 金華牧羊兒》原文及翻譯賞析

鍺在電子工業中的用途,已逐漸被矽代替。但由於鍺的電子和空穴遷移率較矽高,在高速開關電路方面,鍺比矽的效能好。鍺在紅外器件、γ輻射探測器方面,有新的用途。金屬鍺能通過 2~15微米的紅外線,又和玻璃一樣易被拋光,能有效地抵制大氣的腐蝕,可用以製造紅外視窗、三稜鏡和紅外光學透鏡材料。鍺酸鉍用於閃爍體輻射探測器。鍺還同鈮形成化合物,用作超導材料。二氧化鍺是聚合反應的催化劑。用二氧化鍺製造的玻璃有較高的折射率和色散效能,可用於廣角照相機和顯微鏡鏡頭;GeO2-TiO2-P2O5型別的玻璃有良好的紅外效能,在空間技術上,可用來保護超靈敏的紅外探測器。

富集回收

鍺的製取第一步是從重有色金屬冶煉過程回收鍺的富集物。以煉鋅為例:在火法煉鋅過程中,鋅精礦首先經過氧化焙燒,然後加入還原劑和氯入鈉,在燒結機上燒結焙燒,鍺以氯化物或氧化物形態揮發進入煙塵。如不採用氯化燒結措施,鍺將富集於最後鋅蒸餾的殘留物中(見氯化冶金)。在溼法煉鋅過程中,如鋅精礦含鍺不高時,大部分鍺在硫酸浸出渣中,小部分鍺進入溶液。在鋅溶液淨化過程中,由於鍺的親鐵性質,氫氧化鐵沉澱時吸附鍺,鍺進入鐵渣。鋅溶液用鋅粉置換鎘時,殘留的鍺和鎘同時為鋅粉所置換。如將浸出渣熔化,然後用煙化爐揮發鉛、鋅,則鍺以一氧化鍺狀態揮發,富集於煙塵中。煙化爐可用來處理含鍺的氧化鉛、鋅礦。將氧化礦在鼓風爐內熔鍊,再用煙化爐處理爐渣揮發鍺,揮發率大於90%。現代煉鋅多用溼法,在處理含鍺較高的硫化鋅精礦(含鍺100~150克/噸)時,首先使鍺富集於浸出渣中,用煙化爐處理,煙塵含鍺0.1%,用酸浸出,溶液淨化後,加丹寧(C76H52O46)沉澱,沉澱物中含鍺3~5%;經烘乾、煅燒,得到含鍺15~20%的鍺灰,作為提鍺原料。

高純鍺單晶的製備

首先將富集物用濃鹽酸氯化,製取四氯化鍺,再用鹽酸溶劑萃取法除去主要的雜質砷,然後經石英塔兩次精餾提純,四氯化鍺(GeCl4)的含砷量可降至1ppm以下,再經高純鹽酸洗滌,可得高純四氯化鍺。用高純水使四氯化鍺水解,得高純二氧化鍺(GeO2)。一些雜質會進入水解母液,所以水解過程也是提純過程。純二氧化鍺經烘乾煅燒,在還原爐的石英管內用氫氣於650~680℃還原得到金屬鍺。還原終結時可逐漸升溫至1000~1100℃,使鍺熔化,將石墨舟從還原爐中緩緩拉出,控制溫度,把雜質驅至尾端,這種方法稱為定向結晶法。切去鍺錠的尾端,其餘部分的純度大大提高,電阻率可達20歐姆·釐米以上(見晶體培育)。

半導體器件所需的鍺,純度通常以電阻率表示,規定在20℃時在錠底部表面測出的電阻率應為30~50歐姆·釐米,其雜質總含量為10-8~10-9%,必須採用區域熔鍊提純法進一步提純。

鍺單晶的製備方法有兩種:一種是直拉法,另一種是區熔勻平法。

(1)直拉法是將鍺錠置於坩堝中熔化,然後用一固定在拉桿上的鍺晶體作籽晶,垂直浸入溫度略高於熔點的熔融鍺中,以一定的速度從熔體向上拉出,熔融鍺便按籽晶的結晶方向凝固。通過控制拉速、坩堝和籽晶轉速等措施,以及自動控制爐溫和單晶直徑等技術,可以製成n型電阻率為 0.003~40歐姆·釐米、p型電阻率為0.002~40歐姆·釐米、位錯密度為500~3000釐米-2、直徑為 20~300毫米的鍺單晶。

(2)區熔勻平法所用的爐子為水平式石英管加熱爐,能生產電阻率均勻的鍺單晶,電阻率的徑向均勻度為±3%,縱向均勻度為±7%,位錯密度為103釐米-2,單晶截面為5~12釐米2。

紅外器件所用鍺單晶為n型,電阻率5~40歐姆·釐米,單晶直徑可達300毫米,多晶直徑可達600毫米。探測器級鍺單晶用於製作鋰漂移探測器和高純鍺探測器。後者要求鍺單晶的淨雜質含量更低(<1010原子/釐米3)。鍺單晶的效能用型號、電阻率均勻性、位錯密度、少數載流子壽命和載流子濃度等指標來表示。

廢鍺回收

從鍺加工廢料中回收鍺很重要。自冶煉到製成鍺電晶體整個過程,特別是區熔提純、拉制單晶、切片、磨片和拋光鍺片的加工過程中,會產生大量的含鍺廢料。這些廢料的含鍺量為:切割粉60~70%,碎片80~90%,濾紙20%,腐蝕液2~10%。從廢料中回收鍺的方法很多,主要有:

(1)用氯氣在石英容器內使鍺氯化成四氯化鍺,然後蒸餾回收;

(2)用新鮮的NaOCl於80℃處理鍺殘渣,生成鍺酸鈉(Na2GeO3),然後加入氫氧化銨,生成鍺的沉澱物(Na2O)x(NH4)yGe2O3,回到四氯化鍺生產流程。在處理含氫氟酸的腐蝕液時,加入氫氧化銨,可生成氟化銨和鍺酸銨(NH4)xGe2O3沉澱。在四氯化鍺水解過程中產生的水解液和洗滌液中含有少量(約6~7克/升)的鍺,回收的方法是用硫酸鎂和氫氧化銨使鍺沉澱為正鍺酸鎂(見超純金屬)。

參考書目

C.A.Hampel ed., Rare Metals Handboo噚, 2nd ed.,Reinhold, New York, 1961.

沈華生:《稀散金屬冶金學》,上海人民出版社,上海,1976。

參考文章

如何用萬用表判別電晶體的管型和極性?鍺管和矽管又如何通過實驗區別出來?自動化

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