跳转到内容

锗

编辑链接
典范条目
本页使用了标题或全文手工转换
维基百科，自由的百科全书
（重定向自32號元素）

鍺 32Ge
氫（非金屬） 氦（惰性氣體）
鋰（鹼金屬） 鈹（鹼土金屬） 硼（類金屬） 碳（非金屬） 氮（非金屬） 氧（非金屬） 氟（鹵素） 氖（惰性氣體）
鈉（鹼金屬） 鎂（鹼土金屬） 鋁（貧金屬） 矽（類金屬） 磷（非金屬） 硫（非金屬） 氯（鹵素） 氬（惰性氣體）
鉀（鹼金屬） 鈣（鹼土金屬） 鈧（過渡金屬） 鈦（過渡金屬） 釩（過渡金屬） 鉻（過渡金屬） 錳（過渡金屬） 鐵（過渡金屬） 鈷（過渡金屬） 鎳（過渡金屬） 銅（過渡金屬） 鋅（過渡金屬） 鎵（貧金屬） 鍺（類金屬） 砷（類金屬） 硒（非金屬） 溴（鹵素） 氪（惰性氣體）
銣（鹼金屬） 鍶（鹼土金屬） 釔（過渡金屬） 鋯（過渡金屬） 鈮（過渡金屬） 鉬（過渡金屬） 鎝（過渡金屬） 釕（過渡金屬） 銠（過渡金屬） 鈀（過渡金屬） 銀（過渡金屬） 鎘（過渡金屬） 銦（貧金屬） 錫（貧金屬） 銻（類金屬） 碲（類金屬） 碘（鹵素） 氙（惰性氣體）
銫（鹼金屬） 鋇（鹼土金屬） 鑭（鑭系元素） 鈰（鑭系元素） 鐠（鑭系元素） 釹（鑭系元素） 鉕（鑭系元素） 釤（鑭系元素） 銪（鑭系元素） 釓（鑭系元素） 鋱（鑭系元素） 鏑（鑭系元素） 鈥（鑭系元素） 鉺（鑭系元素） 銩（鑭系元素） 鐿（鑭系元素） 鎦（鑭系元素） 鉿（過渡金屬） 鉭（過渡金屬） 鎢（過渡金屬） 錸（過渡金屬） 鋨（過渡金屬） 銥（過渡金屬） 鉑（過渡金屬） 金（過渡金屬） 汞（過渡金屬） 鉈（貧金屬） 鉛（貧金屬） 鉍（貧金屬） 釙（貧金屬） 砈（類金屬） 氡（惰性氣體）
鍅（鹼金屬） 鐳（鹼土金屬） 錒（錒系元素） 釷（錒系元素） 鏷（錒系元素） 鈾（錒系元素） 錼（錒系元素） 鈽（錒系元素） 鋂（錒系元素） 鋦（錒系元素） 鉳（錒系元素） 鉲（錒系元素） 鑀（錒系元素） 鐨（錒系元素） 鍆（錒系元素） 鍩（錒系元素） 鐒（錒系元素） 鑪（過渡金屬） 𨧀（過渡金屬） 𨭎（過渡金屬） 𨨏（過渡金屬） 𨭆（過渡金屬） 䥑（預測為過渡金屬） 鐽（預測為過渡金屬） 錀（預測為過渡金屬） 鎶（過渡金屬） 鉨（預測為貧金屬） 鈇（貧金屬） 鏌（預測為貧金屬） 鉝（預測為貧金屬） 鿬（預測為鹵素） 鿫（預測為惰性氣體）
硅
↑
鍺
↓
锡
镓 ← 鍺 → 砷
外觀
灰白色

一塊12克（2×3 cm）的鍺多晶體，
上面的切面並不均匀
概況
名稱·符號·序數鍺（Germanium）·Ge·32
元素類別类金属
族·週期·區14·4·p
標準原子質量72.630(8)[1]
电子排布[Ar] 3d10 4s2 4p2
2, 8, 18, 4
鍺的电子層（2, 8, 18, 4）
鍺的电子層（2, 8, 18, 4）
物理性質
物態固態
密度（接近室温）
5.323 g·cm−3
熔点時液體密度5.60 g·cm−3
熔点1211.40 K，938.25 °C，1720.85 °F
沸點3106 K，2833 °C，5131 °F
熔化热36.94 kJ·mol−1
汽化热334 kJ·mol−1
比熱容23.222 J·mol−1·K−1
蒸氣壓
壓/Pa 1 10 100 1 k 10 k 100 k
溫/K 1644 1814 2023 2287 2633 3104
原子性質
氧化态4, 3, 2, 1, 0, -1, -2, -3, -4
（兩性氧化物）
电负性2.01（鲍林标度）
电离能第一：762 kJ·mol−1
第二：1537.5 kJ·mol−1
第三：3302.1 kJ·mol−1
原子半径122 pm
原子半径（計算值）122 pm
范德华半径211 pm
鍺的原子谱线
雜項
晶体结构鑽石
磁序抗磁[2]
電阻率（20 °C）1  Ω·m
熱導率60.2 W·m−1·K−1
热膨胀系数6.0 µm/(m·K)
聲速（細棒）（20 °C）5400 m·s−1
杨氏模量103[3] GPa
剪切模量41[3] GPa
体积模量75[3] GPa
泊松比0.26[3]
莫氏硬度6.0
CAS号7440-56-4
同位素
主条目：鍺的同位素
同位素 丰度 半衰期​（t1/2） 衰變
方式 能量​（MeV） 產物
68Ge 人造 271.05 天 ε 0.107 68Ga
70Ge 20.52% 穩定，帶38粒中子
72Ge 27.45% 穩定，帶40粒中子
73Ge 7.76% 穩定，帶41粒中子
74Ge 36.52% 穩定，帶42粒中子
76Ge 7.75% 2.022×1021 年[4] β−β− 2.039 76Se

锗（zhě）（英語：Germanium；舊譯鈤[a]），是一種化學元素，化學符號为Ge，原子序數为32，原子量為72.630 u。鍺是一種灰白色类金属，有光澤，質地硬，屬於碳族元素，化學性質與同族的锡與硅相近。在自然中，鍺共有5種同位素，原子質量數在70至76之間。鍺能形成許多不同的有機金屬化合物，例如四乙基锗及异丁基锗烷等。

即使地球表面上鍺的豐度地殼蘊含量相對较高，但由於礦石中很少含有高濃度的鍺，所以它在化學史上發現得比較晚。德米特里·伊万诺维奇·门捷列夫在1869年根據元素周期表的位置，預測到鍺的存在與其各項屬性，並把它稱作eka-矽。克萊門斯·溫克勒於1886年在一種叫硫銀鍺礦的稀有礦物中，除了找到硫和銀之外，還發現了一種新元素。儘管這種新元素的外觀跟砷和锑有點像，但是新元素在化合物中的化合比符合硅下元素的預測。温克勒以他的國家——德国的拉丁語名來為這種元素命名。

鍺是一種重要的半导体材料，用於製造晶体管及各種電子裝置。主要的終端應用為光纖系統與紅外線光學，也用於聚合反應的催化剂，制造電子器件與太陽能電力等。現在，開採鍺用的主要礦石是閃鋅礦（锌的主要礦石），也可以在銀、铅和铜中，用商業方式提取鍺。一些鍺化合物，如四氯化鍺（GeCl4）和甲锗烷（GeH4），会刺激眼睛、皮膚、肺部與喉嚨。

发现史

門捷列夫於1869年發表了一份名為《化學元素週期律》的研究報告，當中預測了數種未知元素的存在，其中一種填補了碳族中硅及錫之間的空缺[5]。由於它在週期表的位置，門捷列夫把它命名為擬硅（Ekasilicon, Es），並將其原子量定為72。

門捷列夫

1885年夏季，在薩克森王國弗赖堡附近的一個礦場，發現了一種新的礦物。由於這種礦物的含銀量高，所以被命名為硫銀鍺礦[b]。克萊門斯·溫克勒檢驗了這種礦物，並於1886年成功從中分離出一種與銻相似的元素[6]。在他發表成果之前，他原本打算用海王星來為新元素命名，因為在1846年被發現的海王星，數學理論也預測它的存在[c]。然而，镎（Neptunium）這個名字當時已被另一元素佔用（不過不是今天叫镎的那種元素，它到1940年才被發現）[d]，因此溫克勒改用他的祖國——德國的拉丁語（germanium）來為元素命名[6]。由於鍺跟砷和銻相近，所以它當時是否該出現在週期表上仍備受爭論，不過它的性質與門捷列夫的擬硅很像，因此才確立了它在週期表的確實位置[6][7] 在發現後，薩克森的礦場再給了溫克勒五百公斤的礦石，因此他能進行後續研究，並在1887年確立了這種新元素的化學性質[8][9][10]。他通過分析純四氯化鍺，得出鍺的原子量為72.32，而德布瓦博德蘭則通過比較該元素的火花光譜線，得出72.3[11]。

溫克勒當時成功製備了幾種新的鍺化合物，包括氟化物、氯化物、硫化物、二氧化鍺及四乙基鍺，而四乙基鍺則是第一種有機鍺烷[9]。有了從這些化合物而來的物理數據——它們符合門捷列夫的預測——鍺的發現成為了確認門捷列夫元素週期的重要證據。下表比較了預測與溫克勒的數據[9]：

特性 擬硅（预测） 鍺
原子質量 72 72.59
密度（g/cm3） 5.5 5.35
熔點（℃） 高 947
顏色 灰色 灰色
氧化物種類 耐火（refractory）二氧化物 耐火二氧化物
氧化物密度（g/cm3） 4.7 4.7
氧化物性质 弱鹼 弱鹼
氯化物熔點 100℃以下 86℃ （GeCl4）
氯化物密度（g/cm3） 1.9 1.9
克萊門斯·溫克勒

直至1930年代末期，科學家們一直以為鍺只是一種導電性差的金屬[12]。因為它的半導體特性對電子元件來說是非常有價值的，所以到1945年鍺成了一種有利可圖的材料。在第二次世界大戰期間的1941年，鍺二極體就開始取代電子裝置中的真空管[13][14]。它的第一項主要用途為製造蕭特基二極體的接點，該二極體在二戰期間用於雷達接收[12]。第一種矽鍺合金誕生於1955年[15]。在1945年以前，鍺的年產量只有幾百千克，但到了1950年代末，世界年產量就已經達到40公噸[16]。

鍺晶體管在1948年的出現[17]，開啟了固態電子無數的應用之門[18]。從1950年至1970年代初，這個領域為鍺提供了增長中的市場，但之後晶體管、二極體和整流器都開始轉用高純度硅[19]。硅的電子特性比鍺優越，但是所需的純度就高得多——這樣的純度用早年的商業方法實在達不到[20]。

與此同時，光纖通訊網絡、紅外線夜視系統及聚合反應催化劑對鍺的需求量正在急速增長[16]。這些終端應用代表了2000年鍺用量的80%[19]。美國政府甚至把鍺定為戰略及關鍵材料，並因此於1987年下令國家防禦儲備中心存入132公噸的鍺[16]。生產鍺與硅不同的是，硅的產量只受生產力限制，而鍺的產量則受開採來源的短缺所限制。正因如此，硅在1998年的價格為每千克10美元以下[16]，而當時鍺的價格達每千克1800美元[16]。

特性

在標準狀況下，鍺是一種銀白色的半金屬元素，硬但易碎[21]。這種形式構成一種同素異形體，技術上叫α鍺，它帶金屬光澤，結構與鑽石一樣，為鑽石立方晶體結構[19]。當壓力高於120kPa時，會形成另一種同素異形體，叫β鍺，它的結構與β錫一樣[22]。與硅、鎵、鉍、銻與水一樣，鍺在熔化態固體化時（即凝固）會膨脹[22]，而有這種特性的物質並不多。

鍺是一種半導體。用區熔技術生產出的半導體用鍺晶體，其雜質含量只有一百億分之一[23]，因此這種晶體是史上最純的材料之一[24]。第一種在極強電磁場下成為超導體的金屬材料，是一種含鍺、銠和鈾的合金，於2005年被發現[25]。

已知純鍺能自發地擠出非常長螺旋位錯，叫“鍺鬚”。這些晶鬚的增長，是較舊的鍺製二極體和晶體管壞掉的主要原因，因為晶鬚很可能會構成短路，但短路與否視最終接觸到的物質而定[25]。

化學性质

鍺旳電子殼層圖

在250℃時，鍺會緩慢地氧化成GeO2[26]。鍺不溶於稀酸及鹼，但溶於濃硫酸，並與熔鹼反應，生成鍺酸鹽（GeO32-）。鍺最常出現的氧化態是+4，但是已知它在不少化合物中的氧化態為+2[27]。其他的氧化態則很罕見，例如化合物Ge2Cl6中为+3，以及在氧化物表面測得的+3與+1氧化态[28]，或者鍺化物中的負氧化態，像是Mg
2Ge中的-4。多種含鍺的陰性簇離子（津特耳離子）已經被製備出來，當中包括Ge42-、Ge94-、Ge92-及[(Ge9)2]6-，其中一種方法是在乙二胺或穴醚的催化下，從置於液態氨的鍺與鹼金屬合金中進行提取[27][29]。這些離子中鍺的氧化態並非整數——這點跟臭氧根離子中的氧一樣。

已知鍺共有兩種氧化物：二氧化鍺和一氧化鍺[22]。焙燒二硫化鍺（GeS2）後可得二氧化鍺，二氧化鍺是一種白色的粉末，微溶於水，但與鹼反應並生成鍺酸鹽[22]。當二氧化鍺與鍺金屬在高溫下反應時，會生成一氧化鍺[22]。二氧化鍺（及其相關的氧化物及鍺酸鹽）有一種很不尋常的特性，就是對可見光有着高折射率，但同時對紅外線隱形[30][31]。而鍺酸鉍則被用作閃鑠器（scintillator）[32]。

鍺還能與其它氧族元素生成二元化合物，例如二硫化物（GeS2）、二硒化物（GeSe2）、一硫化物（GeS）、一硒化物（GeSe）及碲化物（GeTe）[27]。把硫化氫氣體通過含Ge(IV)的強酸溶液時，會生成白色沉澱物，即二硫化鍺[27]。二硫化鍺能很好地溶於水、苛性鈉溶液及鹼金屬硫化物溶液中。但是，它不溶於酸性溶液，溫克勒就是凭借這項性質才發現了鍺[33]。把二硫化鍺置於氫氣流中加熱，會生成一硫化鍺（GeS），它昇華後會形成一圈色暗但具金屬光澤的薄層，它可溶於苛性鈉溶液中。把一硫化鍺、鹼金屬碳酸鹽與硫一起加熱後，會生成一種鍺鹽化合物，叫硫代鍺酸鹽[34]。

甲鍺烷與甲烷的結構相近

鍺共有四種已知的四鹵化物。在正常狀況下四碘化鍺（GeI4）為固體，四氟化鍺（GeF4）為氣體，其餘兩種為揮發性液體。把鍺與氯一塊加熱，會得到一種沸點為83.1℃的無色發煙液體，即四氯化鍺[22]。鍺的所有四鹵化物都容易水解，生成带结晶水的二氧化鍺[22]。四氯化鍺用於製備有機鍺化合物[27]。跟四鹵化物相反的是，全部四種已知的二鹵化物，皆為聚合固體[27]。另外已知的鹵化物還包括Ge2Cl6及GenCl2n+2[22]。還有一種奇特的化合物Ge6Cl16，其中含有类似新戊烷結構的Ge5Cl12[35]。

甲鍺烷（GeH4）是一種結構與甲烷相近的化合物。多鍺烷（即與烷烃相似的鍺化合物）的化學式為GenH2n+2，現時仍沒有發現n大於五的多鍺烷[27]。相對於硅烷，鍺烷的揮發性和活性都較低[27]。GeH4在液態氨中與鹼金屬反應後，會產生白色的MGeH3晶體，當中含有GeH3−陰離子[27]。含一、二、三個鹵素原子的氫鹵化鍺，皆為無色的活性液體[27]。

有機鍺化合物的親核加成反應

溫克勒於1887年合成出第一種有機鍺化合物（organogermanium compound）；四氯化鍺與二乙基鋅反應生成四乙基鍺（Ge(C2H5)4）[9]。R4Ge型（其中R為烴基）的有機鍺烷，如四甲基鍺（Ge(CH3)4）及四乙基鍺，是由最便宜的鍺前驅物四氯化鍺及甲基親核劑反應而成。有機鍺氫化物，如異丁基鍺烷（(CH3)2CHCH2GeH3）的危險性比較低，因此半導體工業會用液體的氫化物來取代氣體的甲鍺烷。已知鍺有不少活性中間物：鍺代自由基、鍺烯（與碳烯相近）和鍺炔（與卡賓相近）[36][37]。有機鍺化合物2-羧乙基鍺倍半氧烷（2-carboxyethylgermasesquioxane），於1970年被發現，曾經有一段時間被用作膳食補充劑，當時認為它可能對腫瘤有療效[38]。

同位素

主条目：鍺的同位素

鍺共有五種天然存在的同位素：70Ge、72Ge、73Ge、74Ge和76Ge。當中，76Ge帶微弱的放射性，其衰變模式為雙β衰變，半衰期為1.58 × 1021年。74Ge是最常見的同位素，豐度約為36%。76Ge的自然豐度是最低的，約為7%[39]。當72Ge被α粒子轟擊時，會產生穩定的77Se，並在過程中釋放出高能量的電子[40]。因此，它與氡組合後可用作核電池[40]。

鍺最少有27種合成放射性同位素，各原子質量介乎58至89之間。當中最穩定的是68Ge，其衰變模式為電子捕獲，半衰期則為270.95 d。而當中最不穩定的則是60Ge，其半衰期為30 ms。儘管大部份鍺同位素的衰變模式皆為β衰變，但是也有例外。61Ge及64Ge的衰變模式為β+遲延質子發射（proton emission）[39]，而84Ge至87Ge則有可能進行β-遲延中子發射[39]。

自然豐度

鍺是由恆星核合成所創造的，主要是透過漸近巨星分支上恆星內的S-過程。S-過程是一種慢中子捕獲過程，發生於脈衝紅巨星中的輕元素[41]。在木星的大氣層中能探測到鍺[42]，在一些遙遠的恆星中也能探測到鍺[43]。鍺在地球的地殼豐度約為1.6 ppm[44]。含鍺量可觀的礦石只有幾種，如硫銀鍺礦、灰鍺礦（briartitie）、硫鍺銅礦（germanite）及硫鍺鐵銅礦（renierite），而它們都沒有可供開採的礦床。儘管如此，開採這些礦石都不是為了它們所含的鍺[19][45]。一些鋅銅鉛礦體的含鍺量夠高，因此可以從它們最終的濃縮礦物中提取鍺[44]。

德國礦物學家威特·戈斯密（Victor Goldschmidt）在測量鍺礦床時，發現了一種奇特的濃縮過程，它使得一些煤礦層能擁有高含鍺量[46][47]。最高的含鍺量出現在英國諾森伯蘭郡哈特萊村（Hartley）的煤灰中，達1.6%[46][47]。內蒙古錫林浩特市附近的煤礦層含鍺量估計達1600公噸[44]。

製備

硫鍺鐵銅礦

2007年鍺的年生產量約為100公噸[19]。現在，主要的方法是從鍺濃度達0.3%的閃鋅礦中提取鍺[48]，它是當中的副產品，這種礦石最常出現於以沉積物為主體的大型Zn-Pb-Cu(-Ba)礦床，及以碳酸鹽為主體的Zn-Pb礦床[44]。儘管沒有全球鍺儲備量的確實數字，但是估計美國的儲備量約在500公噸左右[44]。在2007年，鍺的需求量有35%是由循環再造所滿足[44]。

鍺主要是由閃鋅礦中製取，而閃鋅礦是一種鋅礦石，但是也可以在銀、鉛及銅礦中找到鍺。若煤炭發電廠用的煤是從高鍺濃度的礦床來的話，那麼發電廠的飛灰（fly ash）也是鍺的一個來源。俄羅斯與中國都有在用這種鍺源[49]。俄羅斯的鍺礦床位於其遠東的庫頁島，而海參崴東北的煤礦也被用作鍺源[44]。中國的鍺礦床主要位於雲南省臨滄市的褐煤礦場，及內蒙古自治區錫林浩特市附近的煤礦，而它們都是開採中的鍺源[44]。

年份 價格
（$/kg）[50]
1999 1,400
2000 1,250
2001 890
2002 620
2003 380
2004 600
2005 660
2006 880
2007 1,240
2008 1,490
2009 950

鍺的大部份濃縮礦物為硫化物；它們在空氣中加熱後會變成氧化物，這個過程叫焙燒（roasting）：

GeS2 + 3O2 → GeO2 + 2SO2

在這個過程中，部份鍺會進到所產生的灰塵中，而剩下的鍺則被轉化成鍺酸鹽，然後被硫酸淋溶，此時在爐渣中的鋅也被淋溶。在中和反應後，只有鋅留在溶液中，沉澱物中含有鍺及其他金屬。在用威爾茲冶鋅法（Waelz process）把沉澱物中的含鋅量減少後，而殘餘的威爾茲氧化物則接受第二次淋溶。此時從沉澱物中可得二氧化鍺，與氯氣或氯化氢反應後被轉化成四氯化鍺，由於它的沸點低，因此可用蒸餾法進行分離[49] ：

GeO2 + 4HCl → GeCl4 + 2H2O
GeO2 + 2Cl2 → GeCl4 + O2

四氯化鍺會被水解成二氧化鍺，或用分餾法淨化後再被水解[49]。極純的GeO2適用於製造鍺玻璃。純二氧化鍺與氫反應後被還原成鍺，用這種還原方式所得的鍺，適用於紅外線光學或半導體工業：

GeO2 + 4H2 → Ge + 2H2O

用於鋼鐵生產及其他工業過程的鍺，一般會用碳來還原[51]：

GeO2 + C → Ge + CO2

應用

圖為典型的單模光纖。氧化鍺用於摻雜二氧化硅核心（1號）。
1. 核心 8 µm
2. 包層 125 µm
3. 緩衝層 250 µm
4. 護套 400 µm

鍺在2007年的估計全球終端應用為：光纖系統佔35%，紅外線光學（infrared optics）佔30%，聚合催化劑佔15%，及電子和太陽能發電也佔15%[19]。餘下的5%為其他應用，如磷光體（phosphor）、冶金及化學治療[19]。

光學

二氧化鍺最值得注意的物理特性，就是它的高折射率，和低色散。因此特別適用於廣角鏡、顯微鏡和光纖核心[52][53]。它更取代了二氧化鈦，成為了二氧化硅光纖核心的摻雜物，這樣就不用再做後續熱處理，而這種處理會使光纖變得易碎[54]。在2002年末，光纖工業佔美國鍺用量的60%，但只佔全球用量不到10%[53]。鍺銻碲（GeSbTe）是一種相變合金，以其光學特性著稱，應用例子包括可重寫光碟[55]。

由於紅外線可以無損失的穿透鍺，因此它成了一種重要的紅外線光學材料，能很容易地被切割或打磨成鏡片及窗戶。它在紅外線光學中的一項重要應用，就是製作熱圖像照相機（thermal imaging camera）的鏡頭塗層。含鍺的這一種鏡頭用於波長為8至14微米的紅外線，這樣的紅外線可用於被動熱成像及熱點探測，因此能被應用於軍事、汽車夜視系統及消防[51]。這樣的鏡頭還能用於顯微鏡光譜儀，及其他需要極敏感紅外線探測的光學儀器[53]。鍺這種材料有着非常高的折射率（4.0），因此需要抗反射塗層。特別是類金剛石碳的抗反射塗層，這是一種特別堅硬的特殊塗層，其折射率為2.0，與鍺相若，而且會產生一層如鑽石堅硬的表面，足以面對戶外的各種嚴苛環境[56][57]。

電子工业

晶体管主要由锗和硅两种高纯度半导体制作，而锗晶体管（简称锗管）曾是晶体管时代早期（于40年代末开始）最重要的半导体产品，因为当时制作高纯硅和制造硅管的工艺都不够成熟。锗晶体管相比硅管，有B-E结压降低（锗管约0.2V，而硅管为0.6V左右)的优势，但是热稳定性较差，且响应速度的极限明显不如硅管。锗管的大规模应用大概持续到1970年左右，此后从发达国家开始逐渐淘汰，到1980年，几乎在全世界范围完全被硅管取代而退出电子工业[58]。然而，一些音响发烧友认为锗管具有独特的音色，相对于硅管的“冷硬”，锗管温暖醇厚的声音特性被一些玩家称为‘低压电子管’[59]因此一些生产于60年代的电声设备和零件至今受到部分玩家的追捧，一些音樂用的踏板效果器還在用鍺晶體管，因為這種效果器能產生早期搖滾特有的“模糊”音質，當中最有名的是Dallas Arbiter公司所生產的Fuzz Face效果器[60]。

後來电子材料界又燃起了对锗材料的兴趣，不过已不局限于纯锗晶体。鍺化硅合金（一般稱為“硅鍺”）正急速地成為一種重要的半導體材料，用於高速集成電路。使用了Si-SiGe接面的電路，由於這種接面的特性，而比只用Si的要快得多[61]。在無線通訊（wireless communication）裝置中，鍺化硅正開始取代砷化鎵[19]。有着高速特性的SiGe晶片，可以用硅晶片工業傳統的生產技巧，並以低廉的成本生產[19]。

隨著能源成本的上漲，使得太陽能板的經濟價值有所提高，而這也是鍺的一大潛在應用[19]。鍺是太空用高效多結光伏電池的晶圓基板。因為鍺的晶格常數（lattice constant）與砷化鎵相近，所以可以用鍺基板來製造砷化鎵太陽能電池[62]。火星探測漫遊者及數個人造衛星，都有使用鍺上三聯點砷化鎵電池[63]。

上鍺下絕緣體的基板，有望可以取代微型晶片中的硅[19]。其他電子應用還包括螢光燈的磷光體（phosphor）[23]，及鍺基固態發光二極體[19]。

其他應用

在生產聚對苯二甲酸乙二酯的過程中，二氧化鍺還可以用於催化聚合作用[64]。這樣生產出來的成品耀度很高，所以在日本銷售的PET瓶子都專門選用這一種聚酯[64]。然而，美國不把鍺用作聚合催化劑[19]。由於二氧化硅與二氧化鍺相近，所以氣相色譜柱中的固定相二氧化硅，可用二氧化鍺來取代[65]。

近年，在貴金屬合金中加入鍺是愈來愈多。例如，在英幣標準銀（sterling silver）（含銀量達95%以上的合金）中加入鍺，就能減少火紋（firescale）、增加抗鏽色性（tarnish）及增加對析出硬化（precipitation hardening）的反應。有一種抗鏽色的銀合金，商標名叫Argentium，其含鍺量需達1.2%[19]。

高純度鍺單晶探測器，能準確地探測出輻射的來源，因此可用於機場保安系統[66]。鍺亦被用於晶體單光儀（crystal monochromator），這台儀器能生成單晶中子散射（neutron scattering）及同步X射線繞射所需的線性束。在中子及高能X射線的應用，鍺的反射性比硅優勝[67]。高純度的鍺晶體還被用於伽瑪光譜學（gamma spectroscopy）和探尋暗物質的探測器中[68]。

鍺的一些化合物對哺乳類動物沒甚麼毒性，可是對某些細菌則有着相當的毒性[21]。就因為這項特性，所以這些鍺化合物可用作化學治療劑[69]。

对生物的影响

一般認為鍺對動植物的健康並不重要。[70]由於鍺在礦石與碳質材料中是一種稀有元素，加上在商業應用中使用的量也不算多，所以它對自然並沒有甚麼影響[19]。

锗化合物被用于白血病与肺癌的替代療法[16]，但沒有醫學實證證實鍺的好处，甚至有证据表明它们有害[70]。美國食品藥品監督管理局的研究結論認為，當鍺被用作膳食補充劑時“有可能危害人體健康”[38]。

锗本身不危险，但某些活泼的锗化合物有毒。[71]例如四氯化鍺及甲鍺烷，分別為液體及氣體，能對眼睛、皮膚、肺部及喉嚨造成很大的刺激[72]。有些锗化合物对哺乳动物的毒性低，但对细菌来说有毒。[21]

参见

注釋

  1. ^ “鈤”亦為化學元素鐳的舊譯，因造成混淆而採用新譯。[73]
  2. ^ 在希臘語中，Argyrodite一詞有“含銀”的意思[74]。
  3. ^ 跟預測到新元素的存在一樣，數學家亞當斯與勒威耶，利用天王星軌道被拉出去的偏差，在1843年前後就預測到行星海王星的存在[75]。查理士（James Challis）於1846年8月開始搜尋第八顆行星[76]，而加勒則於1846年9月23日正式觀測到它[77]。
  4. ^ 赫爾曼（R. Hermann）在1877年聲稱發現週期素中位於鉭下的元素，並以羅馬神話海王尼普頓命名為镎（Naptunium）[78][79]。但後來發現這種金屬只是元素鈮與鉭的合金[80]。很久以後，镎這個名字給了在週期表位於鈾下的合成元素，它是由核物理學家在1940年所發現[81] 。

參考資料

  1. ^ Prohaska, Thomas; Irrgeher, Johanna; Benefield, Jacqueline; Böhlke, John K.; Chesson, Lesley A.; Coplen, Tyler B.; Ding, Tiping; Dunn, Philip J. H.; Gröning, Manfred; Holden, Norman E.; Meijer, Harro A. J. Standard atomic weights of the elements 2021 (IUPAC Technical Report). Pure and Applied Chemistry. 2022-05-04. ISSN 1365-3075. doi:10.1515/pac-2019-0603 （英语）. 
  2. ^ Magnetic susceptibility of the elements and inorganic compounds 互联网档案馆的存檔，存档日期2012-01-12., in Handbook of Chemistry and Physics 81st edition, CRC press.
  3. ^ 3.0 3.1 3.2 3.3 Properties of Germanium. Ioffe Institute. （原始内容存档于2012-01-25）. 
  4. ^ M. Agostini; et al. Final Results of GERDA on the Two-Neutrino Double-β Decay Half-Life of 76Ge. Physical Review Letters (American Physical Society (APS)). 2023-10-03, 131 (14). ISSN 0031-9007. doi:10.1103/physrevlett.131.142501. 
  5. ^ Kaji, Masanori. D. I. Mendeleev's concept of chemical elements and The Principles of Chemistry (PDF). Bulletin for the History of Chemistry. 2002, 27 (1): 4–16 [2008-08-20]. （原始内容 (pdf)存档于2008-12-17）. 
  6. ^ 6.0 6.1 6.2 Winkler, Clemens. Germanium, Ge, a New Nonmetal Element (English translation[失效連結]). Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft. 1887, 19 (1): 210–211. doi:10.1002/cber.18860190156. （原始内容存档于2012-10-13） （德语）. 
  7. ^ Germanium, a New Non-Metallic Element. The Manufacturer and Builder. 1887: 181 [2008-08-20]. （原始内容存档于2008-12-19）. 
  8. ^ Winkler, Clemens. Mittheilungen über das Germanium. J. Prak. Chemie. 1886, 34: 177–229. doi:10.1002/prac.18860340122. （原始内容存档于2012-11-03） （德语）. 
  9. ^ 9.0 9.1 9.2 9.3 Winkler, Clemens. Mittheilungen über des Germanium. Zweite Abhandlung. J. Prak. Chemie. 1887, 36: 177–209 [2008-08-20]. doi:10.1002/prac.18870360119. （原始内容存档于2012-11-03） （德语）. 
  10. ^ Brunck, O. Obituary: Clemens Winkler. Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft. 1886, 39 (4): 4491–4548. doi:10.1002/cber.190603904164 （德语）. 
  11. ^ de Boisbaudran, M. Lecoq. Sur le poids atomique du germanium. Comptes rendus. 1886, 103: 452 [2008-08-20]. （原始内容存档于2013-06-20） （法语）. 
  12. ^ 12.0 12.1 Haller, E. E. Germanium: From Its Discovery to SiGe Devices (pdf). Department of Materials Science and Engineering, University of California, Berkeley, and Materials Sciences Division, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley,. [2008-08-22]. （原始内容存档 (PDF)于2019-07-10）. 
  13. ^ W. K. Germanium for Electronic Devices. NY Times. 1953 [2008-08-22]. （原始内容存档于2013-06-13）. 
  14. ^ 1941 - Semiconductor diode rectifiers serve in WW II. Computer History Museum. [2008-08-22]. （原始内容存档于2008-09-24）. 
  15. ^ SiGe History. University of Cambridge. [2008-08-22]. （原始内容存档于2008-08-05）. 
  16. ^ 16.0 16.1 16.2 16.3 16.4 16.5 Halford, Bethany. Germanium. Chemical & Engineering News (American Chemical Society). 2003 [2008-08-22]. （原始内容存档于2008-05-13）. 
  17. ^ Bardeen, J.; Brattain, W. H. The Transistor, A Semi-Conductor Triode. Physical Reviews. 1948, 74: 230–231. doi:10.1103/PhysRev.74.230. 
  18. ^ Electronics History 4 - Transistors. National Academy of Engineering. [2008-08-22]. （原始内容存档于2007-10-20）. 
  19. ^ 19.00 19.01 19.02 19.03 19.04 19.05 19.06 19.07 19.08 19.09 19.10 19.11 19.12 19.13 19.14 U.S. Geological Survey. Germanium—Statistics and Information. U.S. Geological Survey, Mineral Commodity Summaries. 2008 [2008-08-28]. （原始内容存档于2008-09-16）. Select 2008 
  20. ^ Teal, Gordon K. Single Crystals of Germanium and Silicon-Basic to the Transistor and Integrated Circuit (PDF). IEEE Transactions on Electron Devices. July 1976, ED–23 (7): 621–639. doi:10.1109/T-ED.1976.18464. [失效連結]
  21. ^ 21.0 21.1 21.2 Emsley, John. Nature's Building Blocks. Oxford: Oxford University Press. 2001: 506–510. ISBN 0-19-850341-5.  引用错误：带有name属性“nbb”的<ref>标签用不同内容定义了多次
  22. ^ 22.0 22.1 22.2 22.3 22.4 22.5 22.6 22.7 Holleman, A. F.; Wiberg, E.; Wiberg, N. Lehrbuch der Anorganischen Chemie 102. de Gruyter. 2007. ISBN 978-3-11-017770-1. OCLC 145623740. 
  23. ^ 23.0 23.1 Germanium. Los Alamos National Laboratory. [2008-08-28]. （原始内容存档于2008-06-10）. 
  24. ^ Chardin, B. Dark Matter: Direct Detection. Binetruy, B. (编). The Primordial Universe: 28 June - 23 July 1999. Springer. 2001: 308. ISBN 3540410465. 
  25. ^ 25.0 25.1 Lévy, F.; Sheikin, I.; Grenier, B.; Huxley, Ad. Magnetic field-induced superconductivity in the ferromagnet URhGe. Science. 2005-08, 309 (5739): 1343–1346. PMID 16123293. doi:10.1126/science.1115498. 
  26. ^ Tabet, N. KRXPS study of the oxidation of Ge(001) surface. Applied Surface Science. 1998, 134: 275. doi:10.1016/S0169-4332(98)00251-7. 
  27. ^ 27.00 27.01 27.02 27.03 27.04 27.05 27.06 27.07 27.08 27.09 Greenwood, N. N.; Earnshaw, A. Chemistry of the Elements 2nd. Oxford:Butterworth-Heinemann. 1997. ISBN 0-7506-3365-4. 
  28. ^ Tabet, N. XPS study of the growth kinetics of thin films obtained by thermal oxidation of germanium substrates. Journal of Electron Spectroscopy and Related Phenomena. 1999,. 101-103: 233. doi:10.1016/S0368-2048(98)00451-4. 
  29. ^ Xu, Li; Sevov, Slavi C. Oxidative Coupling of Deltahedral [Ge9]4− Zintl Ions. J. Am. Chem. Soc. 1999, 121 (39): 9245–9246. doi:10.1021/ja992269s. 
  30. ^ Bayya, Shyam S.; Sanghera, Jasbinder S.; Aggarwal, Ishwar D.; Wojcik, Joshua A. Infrared Transparent Germanate Glass-Ceramics. Journal of the American Ceramic Society. 2002, 85 (12): 3114–3116. 
  31. ^ Drugoveiko, O. P. Infrared reflectance and transmission spectra of germanium dioxide and its hydrolysis products. Journal of Applied Spectroscopy. 1975, 22: 191. doi:10.1007/BF00614256. 
  32. ^ Lightstone, A. W.; McIntyre, R. J.; Lecomte, R.; Schmitt, D. A Bismuth Germanate-Avalanche Photodiode Module Designed for Use in High Resolution Positron Emission Tomography. IEEE Transactions on Nuclear Science. 1986, 33 (1): 456–459. doi:10.1109/TNS.1986.4337142. 
  33. ^ Johnson, Otto H. Germanium and its Inorganic Compounds. Chem. Rev. 1952, 3: 431 – 431. doi:10.1021/cr60160a002. 
  34. ^ Fröba, Michael. First synthesis of mesostructured thiogermanates. Chemical Communications. 1997: 1729. doi:10.1039/a703634e. 
  35. ^ Beattie, I.R.; Jones, P.J.; Reid, G.; Webster, M. The Crystal Structure and Raman Spectrum of Ge5Cl12·GeCl4 and the Vibrational Spectrum of Ge2Cl6. Inorg. Chem. 1998, 37 (23): 6032–6034. doi:10.1021/ic9807341. 
  36. ^ Satge, Jacques. Reactive intermediates in organogermanium chemistry. Pure & Appl. Chem. 1984, 56 (1): 137–150. doi:10.1351/pac198456010137. 
  37. ^ Quane, Denis; Bottei, Rudolph S. Organogermanium Chemistry. Chemical Reviews. 1963, 63 (4): 403–442. doi:10.1021/cr60224a004. 
  38. ^ 38.0 38.1 Tao, S. H.; Bolger, P. M. Hazard Assessment of Germanium Supplements. Regulatory Toxicology and Pharmacology. June 1997, 25 (3): 211–219. doi:10.1006/rtph.1997.1098. 
  39. ^ 39.0 39.1 39.2 Audi, G. Nubase2003 Evaluation of Nuclear and Decay Properties. Nuclear Physics A (Atomic Mass Data Center). 2003, 729: 3–128. doi:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001. 
  40. ^ 40.0 40.1 Alpha Fusion Electrical Energy Valve (PDF). Nu Energy Research Institute. [2008-09-10]. （原始内容 (pdf)存档于2008-10-01）. 
  41. ^ Sterling, N. C.; Dinerstein, Harriet L.; Bowers, Charles W. Discovery of Enhanced Germanium Abundances in Planetary Nebulae with the Far Ultraviolet Spectroscopic Explorer. The Astrophysical Journal Letters. 2002, 578: L55–L58. doi:10.1086/344473. 
  42. ^ Kunde, V.; Hanel, R.; Maguire, W.; Gautier, D.; Baluteau, J. P.; Marten, A.; Chedin, A.; Husson, N.; Scott, N. The tropospheric gas composition of Jupiter's north equatorial belt /NH3, PH3, CH3D, GeH4, H2O/ and the Jovian D/H isotopic ratio. Astrophysical J. 1982, 263: 443–467. doi:10.1086/160516. 
  43. ^ Cowan, John. Astronomy: Elements of surprise. Nature. 2003-05-01, 423 (29): 29. doi:10.1038/423029a. 
  44. ^ 44.0 44.1 44.2 44.3 44.4 44.5 44.6 44.7 Höll, R.; Kling, M.; Schroll, E. Metallogenesis of germanium—A review. Ore Geology Reviews. 2007, 30 (3–4): 145–180. doi:10.1016/j.oregeorev.2005.07.034. 
  45. ^ Lifton, Jack. Byproducts II: Another Germanium Rush?. Resource Investor.com. 2007-04-26 [2008-09-09]. （原始内容存档于2007-06-12）. 
  46. ^ 46.0 46.1 Goldschmidt, V. M. Ueber das Vorkommen des Germaniums in Steinkohlen und Steinkohlenprodukten. Nachrichten von der Gesellschaft der Wissenschaften zu Göttingen, Mathematisch-Physikalische Klasse. 1930: 141–167 [2012-10-16]. （原始内容存档于2008-12-01）. 
  47. ^ 47.0 47.1 Goldschmidt, V. M.; Peters, Cl. Zur Geochemie des Germaniums. Nachrichten von der Gesellschaft der Wissenschaften zu Göttingen, Mathematisch-Physikalische Klasse. 1933: 141–167 [2012-10-16]. （原始内容存档于2008-12-01）. 
  48. ^ Bernstein, L. Germanium geochemistry and mineralogy. Geochimica et Cosmochimica Acta. 1985, 49: 2409. doi:10.1016/0016-7037(85)90241-8. 
  49. ^ 49.0 49.1 49.2 Naumov, A. V. World market of germanium and its prospects. Russian Journal of Non-Ferrous Metals. 2007, 48 (4): 265–272. doi:10.3103/S1067821207040049. 
  50. ^ R.N. Soar. USGS Minerals Information. U.S. Geological Survey Mineral Commodity Summaries. 1977. 2003-01, 2004-01, 2005-01, 2006-01, 2007-01, January 2010 [2013-04-22]. ISBN 978-0-85934-039-7. OCLC 16437701. （原始内容存档于2013-05-07）. 
  51. ^ 51.0 51.1 Moskalyk, R. R. Review of germanium processing worldwide. Minerals Engineering. 2004, 17: 393–402. doi:10.1016/j.mineng.2003.11.014. 
  52. ^ Rieke, G.H. Infrared Detector Arrays for Astronomy. Annu. Rev. Astro. Astrophys. 2007, 45: 77. doi:10.1146/annurev.astro.44.051905.092436. 
  53. ^ 53.0 53.1 53.2 Brown, Jr., Robert D. Germanium (pdf). U.S. Geological Survey. 2000 [2008-09-22]. （原始内容存档 (PDF)于2011-08-22）. 
  54. ^ Chapter III: Optical Fiber For Communications. Stanford Research Institute. [2008-08-22]. （原始内容存档于2006-06-15）. 
  55. ^ Understanding Recordable & Rewritable DVD First Edition (PDF). Optical Storage Technology Association (OSTA). [2008-09-22]. （原始内容 (pdf)存档于2009-04-19）. 
  56. ^ Lettington, Alan H. Applications of diamond-like carbon thin films. Carbon. 1998, 36 (5–6): 555–560. doi:10.1016/S0008-6223(98)00062-1. 
  57. ^ Gardos, Michael N.; Soriano, Bonnie L.; Propst, Steven H. Study on correlating rain erosion resistance with sliding abrasion resistance of DLC on germanium. Proc. SPIE,. 1990, 1325 (Mechanical Properties): 99. doi:10.1117/12.22449. 
  58. ^ 存档副本 (PDF). [2016-06-02]. （原始内容 (PDF)存档于2016-08-07）. 
  59. ^ 存档副本. [2016-06-02]. （原始内容存档于2017-03-05）. 
  60. ^ Szweda, Roy. Germanium phoenix. III-Vs Review. 2005, 18 (7): 55. doi:10.1016/S0961-1290(05)71310-7. 
  61. ^ Washio, K. SiGe HBT and BiCMOS technologies for optical transmission and wireless communication systems. IEEE Transactions on Electron Devices. 2003, 50: 656. doi:10.1109/TED.2003.810484. 
  62. ^ Bailey, Sheila G. Space and terrestrial photovoltaics: synergy and diversity. Progress in Photovoltaics Research and Applications. 2002, 10: 399. doi:10.1002/pip.446. 
  63. ^ Crisp, D.; Pathare, A.; Ewell, R. C. The performance of gallium arsenide/germanium solar cells at the Martian surface. Progress in Photovoltaics Research and Applications. 2004, 54 (2): 83–101. doi:10.1016/S0094-5765(02)00287-4. 
  64. ^ 64.0 64.1 Thiele, Ulrich K. The Current Status of Catalysis and Catalyst Development for the Industrial Process of Poly(ethylene terephthalate) Polycondensation. International Journal of Polymeric Materials. 2001, 50 (3): 387 – 394. doi:10.1080/00914030108035115. 
  65. ^ Fang, Li; Kulkarni, Sameer; Alhooshani, Khalid; Malik, Abdul. Germania-Based, Sol-Gel Hybrid Organic-Inorganic Coatings for Capillary Microextraction and Gas Chromatography. Anal. Chem. 2007, 79 (24): 9441–9451. doi:10.1021/ac071056f. 
  66. ^ Keyser, Ronald; Twomey, Timothy; Upp, Daniel. Performance of Light-Weight, Battery-Operated, High Purity Germanium Detectors for Field Use (PDF). Oak Ridge Technical Enterprise Corporation (ORTEC). [2008-09-06]. （原始内容 (pdf)存档于2007-10-26）. 
  67. ^ Ahmed, F. U. Optimization of Germanium for Neutron Diffractometers. International Journal of Modern Physics E. 1996, 5: 131. doi:10.1142/S0218301396000062. 
  68. ^ Diehl, R. Astrophysical constraints from gamma-ray spectroscopy. Nuclear Physics A. 2006, 777: 70. doi:10.1016/j.nuclphysa.2005.02.155. 
  69. ^ Slavik, Milan; Blanc, Oscar; Davis, Joan. Spirogermanium: A new investigational drug of novel structure and lack of bone marrow toxicity. Investigational New Drugs. 1983, 1 (3): 225–234. doi:10.1007/BF00208894. 
  70. ^ 70.0 70.1 Germanium. American Cancer Society. [2008-08-31]. （原始内容存档于2008-06-10）. 
  71. ^ Brown, Robert D. Jr. Commodity Survey:Germanium (PDF) (报告). US Geological Surveys. [2008-09-09]. （原始内容存档 (PDF)于2018-03-04）. 
  72. ^ Gerber, G.B.; Léonard, A. Mutagenicity, carcinogenicity and teratogenicity of germanium compounds. Regulatory Toxicology and Pharmacology. 1997, 387: 141–146. doi:10.1016/S1383-5742(97)00034-3. 
  73. ^ 鈤. 教育部《異體字字典》. （原始内容存档于2015-06-20）. 
  74. ^ Argyrodite—Ag
    8    GeS
    6     (pdf) (报告). Mineral Data Publishing. [2008-09-01]. （原始内容存档 (PDF)于2008-12-19）.     
  75. ^ Adams, J. C. Explanation of the observed irregularities in the motion of Uranus, on the hypothesis of disturbance by a more distant planet. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (Blackwell Publishing). November 13, 1846, 7: 149 [2008-02-18]. （原始内容存档于2016-01-10）. 
  76. ^ Challis, Rev. J. Account of observations at the Cambridge observatory for detecting the planet exterior to Uranus. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (Blackwell Publishing). November 13, 1846, 7: 145–149 [2008-02-18]. （原始内容存档于2016-01-10）. 
  77. ^ Galle, J. G. Account of the discovery of the planet of Le Verrier at Berlin. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. 13 November 1846, 7: 153. Bibcode:1846MNRAS...7..153G. 
  78. ^ Sears, Robert. Scientific Miscellany. The Galaxy (Columbus, O[hio]: Siebert & Lilley). 1877-07, 24 (1): 131. ISBN 0665501668. OCLC 16890343. 
  79. ^ Editor's Scientific Record. Harper's new monthly magazine. 1877-06, 55 (325): 152–153 [2012-10-09]. （原始内容存档于2012-05-26）. 
  80. ^ van der Krogt, Peter. Elementymology & Elements Multidict: Niobium. [2008-08-20]. （原始内容存档于2008-09-22）. 
  81. ^ Westgren, A. The Nobel Prize in Chemistry 1951: presentation speech. Nobel Lectures, Chemistry 1942-1962. Elsevier. 1964. （原始内容存档于2008-12-10）. 

外部链接

维基共享资源中相关的多媒体资源：锗

检索自“https://zh.wikipedia.org/w/index.php?title=锗&oldid=84981163”