జెర్మేనియం

ప్రామాణిక పరిస్థితులలో, జెర్మేనియం పెళుసుగా, వెండి-తెలుపు రంగులో ఉండే, సెమీ మెటాలిక్ మూలకం. ఈ రూపం α-జెర్మేనియం అని పిలువబడే ఒక అలోట్రోప్‌ను కలిగి ఉంటుంది. ఇది వజ్రం లాగానే డైమండ్ క్యూబిక్ క్రిస్టల్ నిర్మాణాన్ని కలిగి ఉంటుంది. క్రిస్టల్ రూపంలో ఉన్నప్పుడు, జెర్మేనియం స్థానభ్రంశం థ్రెషోల్డ్ శక్తి ${\displaystyle 19.7_{-0.5}^{+0.6}~{\text{eV}}}$ . 120 kbar కంటే ఎక్కువ పీడనం వద్ద జెర్మేనియం, β- టిన్ ను పోలిన నిర్మాణంతో అలోట్రోప్ β- జెర్మేనియం అవుతుంది. సిలికాన్, గాలియం, బిస్మత్, యాంటీమోనీ, నీరు లాగా జెర్మేనియం కూడా ద్రవ స్థితి నుండి ఘనీభవించినప్పుడు వ్యాకోచిస్తుంది. ^[8]

జెర్మేనియం ఒక సెమీకండక్టర్. సెమీకండక్టర్ల కోసం జోన్ రిఫైనింగ్ పద్ధతులు స్ఫటికాకార జెర్మేనియం ఉత్పత్తికి దారితీశాయి. ఇందులో 10¹⁰ లో ఒక భాగం మాత్రమే మలినం ఉంటుంది, ^[9] ఇప్పటివరకు అందుబాటులో ఉన్న అత్యంత స్వచ్ఛమైన పదార్థాలలో ఇది ఒకటి. అత్యంత బలమైన విద్యుదయస్కాంత క్షేత్రం సమక్షంలో సూపర్ కండక్టర్‌గా మారుతాయని (2005లో) కనుగొన్న మొదటి లోహ పదార్థం - జెర్మేనియం, యురేనియం, రోడియంల మిశ్రమం.

రసాయన ధర్మాలు

మూలక జెర్మేనియం 250 °C, వద్ద గాలిలో నెమ్మదిగా ఆక్సీకరణం చెందడం మొదలై GeO₂ ను ఏర్పరుస్తుంది. జెర్మేనియం పలుచని ఆమ్లాలు, క్షారాలలో కరగదు కానీ వేడి, గాఢ సల్ఫ్యూరిక్, నైట్రిక్ ఆమ్లాలలో నెమ్మదిగా కరిగిపోతుంది. కరిగిన ఆల్కాలిస్‌తో హింసాత్మకంగా చర్య జరిపి జెర్మేనేట్‌లను ( [GeO
₃]²⁻
) ఉత్పత్తి చేస్తుంది. అనేక +2 సమ్మేళనాలు తెలిసినప్పటికీ జెర్మేనియం ఎక్కువగా ఆక్సీకరణ స్థితి +4లో సంభవిస్తుంది. ^[10] ఇతర ఆక్సీకరణ స్థితులు చాలా అరుదు: Ge₂Cl₆ వంటి సమ్మేళనాలలో +3 కనుగొనబడింది. ఆక్సైడ్ల ఉపరితలంపై +3, +1 కనిపిస్తాయి. Mg
₂Ge లో −4 వంటి జెర్మానైడ్‌లలో ప్రతికూల ఆక్సీకరణ స్థితులు కనిపిస్తాయి. జెర్మేనియం క్లస్టర్ అయాన్లు ( Zintl అయాన్లు) Ge₄²⁻, Ge₉⁴⁻, Ge₉²⁻, [(Ge₉)₂]⁶⁻ క్షార లోహాలు, ద్రవ అమ్మోనియాలోని జెర్మేనియం మిశ్రమాల నుండి వెలికితీత ద్వారా తయారు చేయబడ్డాయి. ^[10] ఈ అయాన్లలోని మూలకం యొక్క ఆక్సీకరణ స్థితులు ఓజోనైడ్స్ O₃^- లాగా పూర్ణాంకాలు కావు.

ఐసోటోపులు

జెర్మేనియం 5 సహజ ఐసోటోపులలో సంభవిస్తుంది. అవి: ⁷⁰
Ge
, ⁷²
Ge
, ⁷³
Ge
, ⁷⁴
Ge
, ⁷⁶
Ge
. వీటిలో, ⁷⁶
Ge
చాలా కొద్దిగా రేడియోధార్మికత, 1.78×10²¹ సంవత్సరాల అర్ధజీవితంతో డబుల్ బీటా క్షయం ద్వారా క్షీణిస్తుంది. ⁷⁴
Ge
అత్యంత సాధారణ ఐసోటోపు. ఇది దాదాపు 36% సహజ సమృద్ధిని కలిగి ఉంటుంది. ⁷⁶
Ge
దాదాపు 7% సహజ సమృద్ధితో అతి తక్కువ సమృద్ధి కలిగిన ఐసోటోపు. ఆల్ఫా కణాలతో తాకిడి చేసినప్పుడు, ఐసోటోప్ ⁷²
Ge
స్థిరమైన ⁷⁷
Se
ని ఉత్పత్తి చేస్తుంది. ఈ ప్రక్రియలో అధిక శక్తి ఎలక్ట్రాన్‌లను విడుదల చేస్తుంది. ^[11] దీని కారణంగా, దీన్ని అణు బ్యాటరీలలో రాడాన్‌తో కలిపి ఉపయోగిస్తారు. ^[11]

పరమాణు ద్రవ్యరాశి 58 నుండి 89 వరకు ఉన్న కనీసం 27 రేడియో ఐసోటోప్‌లు కూడా సంశ్లేషణ చేయబడ్డాయి ఉంటుంది. వీటిలో అత్యంత స్థిరమైనది ⁶⁸
Ge
. ఇది 270.95 d అర్ధ జీవితంతో ఎలక్ట్రాన్ క్యాప్చర్ ద్వారా క్షీణిస్తుంది. కనిష్ట స్థిరత్వం కలిగినది ⁶⁰
Ge
. దీని అర్ధ జీవితం 30 ms. జెర్మేనియం యొక్క చాలా రేడియో ఐసోటోప్‌లు బీటా క్షయం ద్వారా క్షీణిస్తాయి, ⁶¹
Ge
, ⁶⁴
Ge
లు Error no symbol defined ప్రోటాన్ ఉద్గారం ద్వారా క్షయం చెందుతాయి. ⁸⁴
Ge
నుండి ⁸⁷
Ge
వరకు ఉన్న ఐసోటోప్‌లు కూడా స్వల్ప Error no symbol defined ప్రోటాన్ ఉద్గారాన్ని ప్రదర్శిస్తాయి ^[12]

లభ్యత

జెర్మేనియం నక్షత్రాల్లో జరిగే న్యూక్లియోసింథసిస్ ద్వారా - ఎక్కువగా అసిమ్ప్టోటిక్ జెయింట్ బ్రాంచ్ స్టార్‌లలో s-ప్రక్రియ ద్వారా - తయారవుతుంది. s-ప్రక్రియ అనేది ఎర్ర జెయింట్ నక్షత్రాల లోపల తేలికైన మూలకాల నుండి నెమ్మదిగా జరిగే న్యూట్రాన్ సంగ్రహణ. జెర్మేనియంను చాలా సుదూర నక్షత్రాల లోను, బృహస్పతి వాతావరణం లోనూ కనుగొన్నారు.

భూమి పెంకులో జెర్మేనియం సమృద్ధి సుమారు 1.6 ppm ఆర్గిరోడైట్, బ్రియార్టైట్, జెర్మేనైట్, రెనియరైట్, స్ఫాలరైట్ వంటి కొన్ని ఖనిజాల్లో మాత్రమే జెర్మేనియం గణనీయమైన మొత్తాల్లో ఉంటుంది. వాటిలో కొన్నిటిలో మాత్రమే (ముఖ్యంగా జెర్మేనైట్) చాలా అరుదుగా, వెలికి తీయదగిన మొత్తంలో కనిపిస్తుంది. ^{[13] [14]} కొన్ని జింక్-కాపర్-లీడ్ ధాతువుల్లో మాత్రమే వెలికితీయడానికి తగినంత జెర్మేనియం ఉంటుంది. ^[15] కొన్ని బొగ్గు పొరల్లో అసాధారణంగా జరిగే సహజ సుసంపన్నత ప్రక్రియ కారణంగా జెర్మేనియం పాళ్ళు అధికంగా ఉంటుంది. అత్యధిక సాంద్రత గల హార్ట్లీ బొగ్గు బూడిదలో 1.6% జెర్మేనియం ఉంది. ^{[16] [17]} ఇన్నర్ మంగోలియాలోని జిలిన్‌హాట్ సమీపంలోని బొగ్గు నిక్షేపాల్లో 1600 టన్నుల జెర్మేనియం ఉన్నట్లు అంచనా. ^[15]

2011లో ప్రపంచవ్యాప్తంగా సుమారు 118 టన్నుల జెర్మేనియం ఉత్పత్తి అయింది. ఎక్కువగా చైనా (80 టన్నులు), రష్యా (5 టన్నులు) యునైటెడ్ స్టేట్స్ (3 టన్నులు). ^[18] జెర్మేనియం స్ఫాలరైట్ జింక్ ఖనిజాల నుండి ఉప-ఉత్పత్తిగా వస్తుంది. ఇక్కడ అది 0.3% వరకూ కేంద్రీకృతమై ఉంటుంది, ^{[19] [20]} ఇటీవలి అధ్యయనంలో జింక్ నిల్వలలో కనీసం 10,000 t వెలికితీయగల జెర్మేనియం ఉందని కనుగొన్నారు. బొగ్గు నిల్వలలో కనీసం 1,12,000 t ఉన్నట్లు కనుగొన్నారు. ^{[21] [22]} 2007లో 35% జెర్మేనియం డిమాండు రీసైకిలింగు ద్వారా తీర్చబడింది. ^[15]

2007లో ప్రపంచవ్యాప్తంగా జెర్మేనియం యొక్క ప్రధాన ఉపయోగాలు ఇలా ఉన్నట్లు అంచనా వేసారు: 35% ఫైబర్-ఆప్టిక్స్, 30% ఇన్‌ఫ్రారెడ్ ఆప్టిక్స్, 15% పాలిమరైజేషన్ ఉత్ప్రేరకాలు, 15% ఎలక్ట్రానిక్స్, సోలార్ ఎలక్ట్రిక్ అప్లికేషన్‌లు. ^[23] మిగిలిన 5% ఫాస్ఫార్‌లు, మెటలర్జీ, కీమోథెరపీ వంటి రంగాల్లో ఉపయోగించారు. ^[24]

ఆప్టిక్స్

అధిక వక్రీభవన సూచిక, తక్కువ ఆప్టికల్ వ్యాప్తి లు జెర్మేనియా (GeO ₂) యొక్క గుర్తించదగిన లక్షణాలు. ఇవి వైడ్ యాంగిల్ కెమెరా లెన్స్‌లు, మైక్రోస్కోపీ, ఆప్టికల్ ఫైబర్స్ యొక్క ప్రధాన భాగానికి ప్రత్యేకంగా ఉపయోగపడతాయి. ^{[25] [26]} సిలికా ఫైబర్ కోసం డోపాంట్‌గా టైటానియా స్థానంలో దీన్ని వాడతారు. దీనివలన ఫైబర్‌లను పెళుసుగా మార్చే ఉష్ణ క్రియ అవసరం ఉండదు. ^[27] 2002 చివరి నాటికి, యునైటెడ్ స్టేట్స్‌లో వార్షిక జెర్మేనియం వినియోగంలో ఫైబర్ ఆప్టిక్స్ పరిశ్రమ 60% వినియోగించింది. అయితే ఇది ప్రపంచవ్యాప్త వినియోగంలో 10% కంటే తక్కువ. ^[26] GeSbTe అనేది దాని ఆప్టిక్ లక్షణాల కోసం ఉపయోగించే దశ మార్పు పదార్థం. మళ్ళీ మళ్ళీ వ్రాయదగిన DVD లలో దీన్ని ఉపయోగిస్తారు. ^[28]

ఎలక్ట్రానిక్స్

సిలికాన్-జెర్మేనియం మిశ్రమాలు హై-స్పీడ్ ఇంటిగ్రేటెడ్ సర్క్యూట్‌లకు ముఖ్యమైన సెమీకండక్టర్ మెటీరియల్‌గా మారుతున్నాయి. Si-SiGe హెటెరోజక్షన్‌ల లక్షణాలను ఉపయోగించుకునే సర్క్యూట్‌లు సిలికాన్‌ను మాత్రమే ఉపయోగించే వాటి కంటే చాలా వేగంగా ఉంటాయి. ^[29] వైర్‌లెస్ కమ్యూనికేషన్ పరికరాలలో గాలియం ఆర్సెనైడ్ (GaAs) స్థానంలో సిలికాన్-జెర్మేనియం వాడుక ఎక్కువౌతోంది. ^[30] అధిక-వేగ లక్షణాలున్న SiGe చిప్‌లను తక్కువ-ధరలో, బాగా అలవాటైన ఉత్పత్తి సాంకేతికతలతో తయారు చేస్తున్నారు. ^[31]

అధిక సామర్థ్యం గల సోలార్ ప్యానెల్స్ జెర్మేనియం యొక్క ప్రధాన ఉపయోగం. జెర్మేనియం, గాలియం ఆర్సెనైడ్ దాదాపు ఒకే విధమైన లాటిస్ స్థిరాంకం కలిగి ఉన్నందున, జెర్మేనియం సబ్‌స్ట్రేట్‌లను గాలియం-ఆర్సెనైడ్ సౌర ఘటాలను తయారు చేయడానికి ఉపయోగించవచ్చు. ట్రిపుల్-జంక్షన్ గాలియం ఆర్సెనైడ్‌ని ఉపయోగించే మార్స్ ఎక్స్‌ప్లోరేషన్ రోవర్స్ వంటి అంతరిక్ష అనువర్తనాలలో జెర్మేనియంను వాడవచ్చు. ఆటోమొబైల్ హెడ్‌లైట్‌ల కోసం, LCD స్క్రీన్‌లను బ్యాక్‌లైట్ చేయడానికి ఉపయోగించే అధిక-ప్రకాశవంతమైన LEDలు కూడా ఒక ముఖ్యమైన అప్లికేషన్.

ఇతర ఉపయోగాలు

పాలిథిలిన్ టెరెఫ్తాలేట్ (PET) ఉత్పత్తిలో పాలిమరైజేషన్ కోసం జెర్మేనియం డయాక్సైడ్‌ను ఉత్ప్రేరకాలుగా కూడా వాడతారు. ఈ పాలిస్టర్‌ను జపాన్‌లో విక్రయించబడే PET బాటిళ్లకు ప్రత్యేకంగా అనుకూలంగా ఉంటుంది. ^[32] యునైటెడ్ స్టేట్స్లో, పాలిమరైజేషన్ ఉత్ప్రేరకాలు కోసం జెర్మేనియంను ఉపయోగించరు.

సిలికా (SiO₂) జెర్మేనియం డయాక్సైడ్ (GeO₂) ల మధ్య గల సారూప్యత కారణంగా, కొన్ని గ్యాస్ క్రోమాటోగ్రఫీ నిలువు వరుసలలోని సిలికా స్థిరమైన దశ స్థానంలో GeO₂ ను వాడవచ్చు.

ఇటీవలి సంవత్సరాలలో విలువైన లోహ మిశ్రమాలలో జెర్మేనియం వినియోగం పెరుగుతోంది. ఉదాహరణకు, స్టెర్లింగ్ వెండి మిశ్రమాలలో ఇది ఫైర్‌స్కేల్‌ను తగ్గిస్తుంది, టార్నిష్ నిరోధకతను పెంచుతుంది. అవక్షేపం గట్టిపడడాన్ని మెరుగుపరుస్తుంది. ట్రేడ్‌మార్క్ చేయబడిన అర్జెంటీయంలో 1.2% జెర్మేనియం ఉంటుంది. ^[33]

స్పింట్రోనిక్స్ లోను, స్పిన్-ఆధారిత క్వాంటం కంప్యూటింగ్ అప్లికేషన్‌ల లోనూ వాడే ముఖ్యమైన పదార్థంగా జెర్మేనియం అభివృద్ధి చెందుతోంది. 2010లో, పరిశోధకులు గది ఉష్ణోగ్రత వద్ద స్పిన్ రవాణాను ప్రదర్శించారు.

జెర్మేనియంను మొక్కలు లేదా జంతువుల ఆరోగ్యానికి అవసరమైనదిగా పరిగణించరు. ^[34] వాతావరణంలో జెర్మేనియం ఆరోగ్యంపై ఎటువంటి ప్రభావం చూపదు. ఇది సాధారణంగా ఖనిజాలు, కర్బన పదార్థాలలో ట్రేస్ ఎలిమెంట్‌గా మాత్రమే ఉంటుంది. వివిధ పారిశ్రామిక, ఎలక్ట్రానిక్ అప్లికేషన్‌లలో ఇది చాలా చిన్న పరిమాణాల్లోనే ఉంటుంది. ^[35] ఇలాంటి కారణాల వల్ల, అంతిమ వినియోగ జెర్మేనియం పర్యావరణంపై తక్కువ ప్రభావాన్ని చూపుతుంది. జెర్మేనియం యొక్క కొన్ని రియాక్టివ్ ఇంటర్మీడియట్ సమ్మేళనాలు విషపూరితమైనవి. ^[36]

జాగ్రత్తలు

జెర్మేనియం వాడకానికి జాగ్రత్తలు అవసరం లేనప్పటికీ, జెర్మేనియం నుండి కృత్రిమంగా ఉత్పత్తి చేయబడిన కొన్ని సమ్మేళనాలు చాలా రియాక్టివ్‌గా ఉంటాయి. మానవ ఆరోగ్యానికి తక్షణ ప్రమాదాన్ని కలిగిస్తాయి. ఉదాహరణకు, జెర్మేనియం క్లోరైడ్, జెర్మేన్ (GeH₄) ఒకటి ద్రవం రేండోది వాయువు. ఇవి కళ్ళు, చర్మం, ఊపిరితిత్తులు, గొంతుకు చాలా చికాకు కలిగిస్తాయి. ^[37]