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32. Germanium (Ge) - Der vergessene Halbleiter · Das Periodensystem der Elemente

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Willkommen zu einer neuen Folge von Wissensreise durch das
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Periodensystem der Elemente, deinem Podcast zum Entspannen,
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Loslassen und lernen. Wenn dir der Podcast gefällt,
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bewerte ihn bitte, das hilft uns, weitere Folgen zu
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produzieren. Kennst du schon unsere anderen
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Podcastreihen wie Wissensreise durch die Uhrzeit oder
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Wissensreise durch die Länder der Erde Germanium.
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Ordnungszahl 32 chemisches Symbol ge, ein silbergraues,
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glänzendes Halbmetall, das sich irgendwo zwischen den Metallen
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und den Nichtmetallen einordnet. Und genau diese Zwischenstellung
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macht es so besonders. Germanium ist kein Element, das
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man in der Natur als reines Metall findet, es ist kein
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Element, das man mit bloßem Auge in der Welt um sich herum
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erkennt. Und dennoch hat es
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jahrzehntelang die Entwicklung unserer modernen Technologiewelt
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geprägt. Es war das Material der ersten
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Transistoren, der ersten Halbleiterbauteile, die das
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Zeitalter der Elektronik einläuteten.
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Ohne Germanium gäbe es möglicherweise keinen der Wege,
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die zur heutigen digitalen Welt geführt haben.
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Im Jahr 1869 veröffentlichte der russische Chemiker Dmitri
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Iwanowitsch Mendelejew sein Periodensystem der Elemente.
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Was dieses System so Revolutionär machte, war nicht
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nur die Anordnung der damals bekannten Elemente nach ihren
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Massen und Eigenschaften, es war die Kühnheit, mit der mendelejew
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Lücken ließ, er erkannte, dass bestimmte Stellen in seinem
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System noch leer waren. Und er schloss daraus, dass dort
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noch unbekannte Elemente existieren mussten, die man noch
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nicht entdeckt hatte. Für eine dieser Lücken, die sich
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unterhalb von Silicium und oberhalb von Zinn in der vierten
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Hauptgruppe befand, sagte Mendelejew im Jahr 1871 ein
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Element voraus, das er eka Silicium nannte.
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Eka ist Sanskrit und bedeutet so viel wie eines dahinter oder
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eines danach. Mendelejew beschrieb dieses
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hypothetische Element mit erstaunlicher Präzision.
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Er sagte voraus, dass es eine Atommasse von etwa 72 haben
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würde, eine Dichte von ungefähr 5,5 Gramm pro Kubikzentimeter,
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dass es ein graues Metall sein würde, das schwer schmelzbar ist
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und eine Oxidationsstufe von Plus 4 zeigen würde.
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Er beschrieb sogar, welche Verbindungen es eingehen würde
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und welche Eigenschaften diese Verbindungen hätten. 15 Jahre
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vergingen dann im Jahr 1886 untersuchte der deutsche
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Chemiker Clemens Alexander Winkler ein neues Mineral, das
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in einem Bergwerk im Erzgebirge gefunden worden war, das Mineral
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hieß Argyrodit, benannt nach dem griechischen Wort für Silber, da
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es silberhaltig war. Bei der chemischen Analyse des
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Argyrodits fiel Winkler auf, dass die Summe der prozentualen
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Anteile der darin enthaltenen Elemente nicht auf 100 kam.
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Es fehlten etwa 7%, 7%, die zu einem bislang unbekannten
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Element gehören mussten. Winkler arbeitete sorgfältig und
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systematisch nach aufwendigen chemischen Trennverfahren gelang
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es ihm schließlich in. Das neue Element zu isolieren.
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Er maß seine Eigenschaften, bestimmte seine Dichte, seine
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Schmelztemperatur, seine chemischen Reaktionen.
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Und dann verglich er seine Ergebnisse mit Mendelejews
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Vorhersagen. Die Übereinstimmung war
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verblüffend, Mendelejew hatte eine Dichte von 5,5 Gramm pro
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Kubikzentimeter vorhergesagt, Winkler maß 5,35.
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Mendeleyew hatte eine Atommasse von 72 vorhergesagt.
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Die tatsächliche Atommasse lag bei 72,63 Mendeleyew hatte die
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Existenz eines Chlorids mit dem Siedepunkt unter 100 Grad
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Celsius vorhergesagt. Winkler fand ein Tetrachlorid,
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das bei 83,1 Grad siedete. Es war ein Triumph der
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Wissenschaft, und Winkler benannte das neue Element zu
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Ehren seines Heimatlandes Deutschland.
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Germanium Germanium gehört zu den sogenannten seltenen
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Elementen, was ein bisschen irreführend ist.
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Die Häufigkeit von Germanium in der Erdkruste beträgt etwa 1,5
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Milligramm pro Kilogramm, das ist vergleichbar mit der
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Häufigkeit von Elementen wie Arsen oder Molybdän.
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Es ist also nicht extrem selten, aber es kommt praktisch nie in
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hoher Konzentration vor. Das wichtigste Mineral, das
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Germanium in nennenswerten Mengen enthält, ist eben jener
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Agyrodit, in dem Winkler das Element entdeckte, eine Silber
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Germanium sulfid Verbindung mit der chemischen Formel AG 8 ges
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sechsten. Aber daneben findet sich
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Germanium auch in anderen Sulfitmineralien wie Spalerit,
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dem Haupterz des Zinks, sowie in manchen Kohleflözen.
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Tatsächlich ist Kohle eine wichtige germaniumquelle
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Pflanzen können Germanium aus dem Boden aufnehmen und über
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Millionen von Jahren sind diese Pflanzenreste zu Kohle geworden,
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in der das Germanium konzentriert vorliegt.
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Bei der Verbrennung von Kohle in Kraftwerken reichert sich
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Germanium in der Flugasche an und aus dieser Asche lässt sich
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das Element heute in relevantem Maßstab gewinnen.
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Das ist gleichzeitig ein Gedanke, über den man innehalten
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kann, ein hightech Element, das in der Flugasche von
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Kohlekraftwerken steckt, die Welt der Chemie ist voller
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solcher unerwarteten Verbindungen.
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Weitere bedeutende Germanium Vorkommen finden sich in
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Zinkerzen, aus denen Germanium als Nebenprodukt gewonnen wird.
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Die größten Produzenten von Germanium weltweit sind China,
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Russland und einige andere Länder, China dominiert dabei
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die globale Produktion mit deutlichem Abstand, ein Umstand,
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der geopolitische Bedeutung hat, auf die wir später noch zu
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sprechen kommen. Germanium liegt im
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Periodensystem in der vierten Hauptgruppe, also in derselben
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Gruppe wie Kohlenstoff, Silizium, Zinn und Blei.
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Diese Gruppe, die sogenannten Tetrele oder Kohlenstoffgruppe,
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zeichnet sich dadurch aus, dass ihre Mitglieder 4
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Valenzelektronen besitzen, also 4 Elektronen in der äußersten
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Schale, die für chemische Bindungen zur Verfügung stehen.
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4 Valenzelektronen sind eine Art Gleichgewichtspunkt.
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Die Elemente dieser Gruppe können sowohl 4 Elektronen
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abgeben als auch 4 aufnehmen, was ihnen eine besondere
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Vielseitigkeit verleiht. In der Praxis bilden sie meist
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kovalente Bindungen, also Bindungen, bei denen Elektronen
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geteilt werden, anstatt vollständig übertragen zu
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werden. Germanium hat eine Atommasse von
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72,63 Einheiten, die. Es gibt 5 stabile Isotope des
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Germaniums Germanium, 70, germanium, 72, Germanium, 73,
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germanium, 74 und germanium 76. Das häufigste davon ist
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Germanium 74 interessanterweise ist Germanium 76 schwach
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radioaktiv. Es zerfällt mit einer
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Halbwertszeit von mehr als 10 hoch 22 Jahren durch einen
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sogenannten doppelten Beta Zerfall.
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Diese Halbwertszeit ist so astronomisch lang, dass der
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Zerfall für alle praktischen Zwecke keine Rolle spielt.
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Der Schmelzpunkt von Germanium liegt bei 938,25 Grad Celsius,
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der Siedepunkt bei 2833 Grad Celsius.
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Die Dichte beträgt 5,323 Gramm pro Kubikzentimeter.
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Germanium kristallisiert in der Diamantstruktur, das heißt,
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jedes Germaniumatom ist von 4 anderen Germaniumatomen umgeben,
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die in den Ecken eines Tetraeders angeordnet sind,
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genau wie beim Diamant oder beim Silicium.
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Eine bemerkenswerte physikalische Eigenschaft von
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Germanium ist sein Verhalten beim Erstarren.
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Wie Wasser und Silizium dehnt sich Germanium beim Übergang vom
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flüssigen in den festen Zustand aus.
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Die meisten Stoffe schrumpfen beim Erstarren, Germanium macht
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das Gegenteil chemisch ist Germanium in der Oxidationsstufe
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Plus 4 am stabilsten, es bildet ein dioxid GEO 2.
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Das in verschiedenen Formen auftreten kann und dem
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Siliziumdioxid Quarzglas chemisch ähnelt.
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Germanium reagiert bei Raumtemperatur kaum mit Luft
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oder Wasser, ist also in normaler Umgebung ziemlich
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beständig bei höheren Temperaturen oxidiert es jedoch.
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Was ist ein Halbleiter überhaupt?
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Ein Halbleiter ist ein Material, dessen elektrische Leitfähigkeit
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zwischen der eines Leiters wie Kupfer oder Silber und der eines
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Isolators wie Glas oder Kunststoff liegt.
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Was Halbleiter so besonders macht, ist nicht nur dieser
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Mittelweg, sondern die Tatsache, dass ihre Leitfähigkeit durch
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äußere Einflüsse präzise gesteuert werden kann, durch
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Temperatur, Licht. Elektrische Felder oder durch
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das gezielte Einbringen von Fremdatomen, das sogenannte
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Dotieren, lässt sich die Leitfähigkeit eines Halbleiters
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über viele Größenordnungen hinweg kontrollieren.
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In den 1940er Jahren war Germanium das Halbleitermaterial
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der Wahl. Die Forscher innen des Bell
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Telefone Laboratories in den Vereinigten Staaten, darunter
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William Schockley, John Bardeen und Walter Brattaine,
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verwendeten Germanium für ihre bahnbrechenden Experimente.
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Am 23. Dezember 1947 einem Datum, das
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man ruhig als einen der bedeutendsten Tage der
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Technikgeschichte bezeichnen darf, demonstrierten Bardin und
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Brattain den ersten funktionierenden Transistor.
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Es war ein sogenannter Punkt Kontakttransistor aus Germanium,
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Unscheinbar klein, und er verstärkte ein elektrisches
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Signal. Dieser Moment war der Beginn
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einer neuen Ära der. Schockley Bardeen und Bretton
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erhielten für ihre Arbeit 1956 den Nobelpreis für Physik.
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Der Transistor ersetzte die bis dahin verwendeten Vakuumröhren.
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Große, zerbrechliche, energiehungrige Bauteile durch
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winzige, robuste, energieeffiziente
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Halbleiterbauelemente und Germanium war das Material
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dieser Revolution in. In den 1950er Jahren wurden
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Germanium Transistoren massenhaft produziert.
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Sie fanden Eingang in Radios, das Transistorradio wurde zum
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Symbol einer ganzen Generation, sie wurden in frühe Computer
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verbaut, in Hörgeräte, in militärische Geräte.
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Germanium war für kurze Zeit das wichtigste elektronische
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Material der Welt, dann kam Silicium.
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Warum wurde Germanium durch Silicium verdrängt?
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Die Antwort liegt in ein paar entscheidenden Eigenschaften,
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bei denen Silicium die Nase vorn hat, erstens Verfügbarkeit
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Silicium ist das zweithäufigste Element in der Erdkruste nach
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Sauerstoff, es ist praktisch überall vorhanden, in gewaltigen
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Mengen als Bestandteil von Sand und Gestein.
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Germanium hingegen ist, wie wir gehört haben, vergleichsweise
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selten und schwierig zu gewinnen.
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Das hat direkte Auswirkungen auf den Preis, zweitens thermische
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Stabilität. Germanium hat eine deutlich
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niedrigere Bandlücke als Silizium 0,67 elektronenvolt
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gegenüber 1,12 Elektronenvolt. Die Bandlücke ist die
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Energiedifferenz, die ein Elektron überwinden muss, um vom
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Valenzband ins Leitungsband zu springen, also um zur Leitung
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beizutragen. Eine kleinere Bandlücke
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bedeutet, dass Germanium schon bei moderaten Temperaturen
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thermisch instabil wird, thermisch erzeugte Ladungsträger
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stören die Funktion von Bauelementen, Silizium kann
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dagegen bei höheren Temperaturen zuverlässig betrieben werden.
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Drittens Oxidation. Silizium bildet beim Erhitzen an
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der Luft eine stabile, gut haftende Oxidschicht.
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Siliziumdioxid, die gleichzeitig ein hervorragender Isolator ist
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und sich hervorragend als Gate Dilektrikum in Transistoren
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eignet. Das Oxid des Germaniums Geo 2
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ist wasserlöslich und damit deutlich weniger praktisch.
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Aus diesen Gründen wurde Germanium in den 1960er und 70er
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Jahren schrittweise durch Silicium ersetzt.
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Silicium wurde zum dominierenden Halbleitermaterial und ist es
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bis heute, aber Germanium verschwand nicht, es fand neue
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Aufgaben, Nischen, in denen seine besonderen Eigenschaften
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unverzichtbar sind. Eine dieser Nischen ist die
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Infrarottechnik. Germanium ist für
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Infrarotstrahlung transparent, also für Licht, das für das
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menschliche Auge unsichtbar ist. Aber Wärme überträgt.
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Normales Glas ist für Infrarot weitgehend undurchlässig, aber
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Germanium lässt Infrarotlicht mit Wellenlängen zwischen etwa 2
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und 14 Mikrometern problemlos passieren.
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Das macht Germanium zum idealen Material für Linsen und Fenster
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in Wärmebildkameras und Nachtsichtgeräten.
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Wer heute eine Wärmebildkamera betrachtet, schaut mit hoher
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Wahrscheinlichkeit durch eine Germaniumlinse eine weitere
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wichtige Anwendung findet sich in der Glasfasertechnik.
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Glasfaserkabel, durch die heute ein Großteil des weltweiten
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Internets fließt, bestehen aus Hochreinem Quarzglas, um die
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Lichtwellen durch die Fasern zu führen, müssen die Fasern einen
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Kern haben, in dem das Licht langsamer ist als in der
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Umgebung. Das wird durch das Dotieren des
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Kernglases mit kleinen Mengen Germaniumdioxid erreicht, das
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den Brechungsindex erhöht. Germanium steckt also
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gewissermaßen im Internet in den Fasern, durch die Daten mit
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Lichtgeschwindigkeit um den Globus rasen.
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Darüber hinaus wird Germanium in der Katalyse eingesetzt, zum
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Beispiel bei der Herstellung von Polyethylenterephtalat, kurz
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PET, jenem Kunststoff, aus dem unter anderem Getränkeflaschen
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gefertigt werden. Und schließlich gibt es eine
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Renaissance von Germanium in der Halbleitertechnik, da die
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Miniaturisierung von Siliziumtransistoren an
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physikalische Grenzen stößt, suchen Ingenieurinnen und
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Ingenieure nach wegen, die Leistung weiter zu steigern.
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Germanium Siliziumlegierungen, sogenannte S ige
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Heterostrukturen, ermöglichen schnellere Transistoren für
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Hochfrequenzanwendungen. Etwa in Mobilfunknetzwerken und
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Radargeräten. Die Kombination der
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Eigenschaften beider Elemente erlaubt Leistungen, die keines
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der beiden Materialien alleine erreichen würde.
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In der Natur kommt Germanium in Spuren in vielen Pflanzen vor,
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einige Pflanzen, darunter die Knoblauchpflanze und bestimmte
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Heilpflanzen aus der traditionellen asiatischen
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Medizin, enthalten etwas höhere Konzentrationen.
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In den 1970er und 80er Jahren gab es eine Welle von
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Begeisterung für organische Germaniumverbindungen,
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insbesondere für eine Verbindung namens bis Carboxyethyl
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Germanium Sisquioxid, kurz ge 132.
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Es wurde behauptet, diese Verbindung stärke das
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Immunsystem, wirke gegen Krebs und habe antivirale
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Eigenschaften. Diese Behauptungen wurden in
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zahlreichen Ländern für Nahrungsergänzungsmittel
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genutzt. Die wissenschaftliche Grundlage
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war dabei erschreckend dünn kontrollierte klinische Studien,
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die einen echten medizinischen Nutzen von organischen
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Germaniumverbindungen beim Menschen belegen würden, fehlen
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bis heute, schlimmer noch anorganische
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Germaniumverbindungen, also nicht das Gee 132.
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Sondern andere Germaniumsalze haben sich als Nierenschädigend
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erwiesen. In mehreren dokumentierten
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Fällen kam es nach dem Konsum von Germaniumhaltigem zu
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schwerem Nierenversagen, die medizinischen Behörden
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verschiedener Länder, darunter Japan und Deutschland, haben
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Germanium in Nahrungsergänzungsmitteln
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deshalb verboten oder stark eingeschränkt.
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Der biologische Nutzen von Germanium für den menschlichen
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Körper ist bislang nicht nachgewiesen.
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Germanium gilt nicht als essentielles Spurenelement, in
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der Nuklearmedizin hingegen gibt es legitime Anwendungen.
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Germanium 68 wird als Positronenemitter in der PET
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Bildgebung eingesetzt, es zerfällt zu Gallium 68, das
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direkt für die medizinische Bildgebung verwendet wird.
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Germanium, 68 Gallium 68 Generatoren erlauben es auch an
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Standorten ohne eigenen Teilchenbeschleuniger den
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wertvollen Tracer Gallium 68 herzustellen.
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Wie erwähnt, dominiert China die weltweite Germaniumproduktion
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Schätzungen zufolge produziert China mehr als 60% des weltweit
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geförderten Germaniums. Die weltweiten Reserven befinden
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sich ebenfalls zu einem erheblichen Teil in China.
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Das ist kein Problem, solange der internationale Handel
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reibungslos funktioniert, doch in einer Welt, in der
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geopolitische Spannungen zunehmen und versorgungsketten
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als strategische Instrumente eingesetzt werden, ist diese
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Abhängigkeit eine Schwachstelle. Im Jahr 2023 kündigte China
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Exportbeschränkungen für Germanium und Gallium an. 2
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Elemente, die für moderne Elektronik und
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Militärtechnologie unverzichtbar sind.
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Diese Ankündigung löste in der Halbleiterindustrie und bei
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Regierungen weltweit unmittelbare Reaktionen aus, die
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Preise für Germanium stiegen deutlich, die.
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Länder und Unternehmen begannen, ihre Lagerbestände aufzustocken
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und nach alternativen Bezugsquellen zu suchen.
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Die Europäische Union hat Germanium auf ihre Liste der
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kritischen Rohstoffe gesetzt, Materialien, deren Versorgung
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als strategisch wichtig und potenziell gefährdet gilt.
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Die Suche nach neuen Germaniumquellen, nach
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Recyclingverfahren und nach technologischen Alternativen hat
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Fahrt aufgenommen. Recycling ist dabei ein
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wichtiger Ansatz. Germanium, das in
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Wärmebildkameras, Glasfasern und anderen Produkten steckt, lässt
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sich zurückgewinnen und wiederverwenden, der Recycling
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Kreislauf für Germanium ist heute bereits wirtschaftlich
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attraktiv, aber noch nicht so weit entwickelt, wie er es sein
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könnte. Hier liegt ein erhebliches
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Potential. Bevor wir diese Wissensreise
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abrunden, noch ein Paar die Details, die vielleicht
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überraschen. Wusstest du, dass Germanium eine
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der wenigen Substanzen ist, die in festem Zustand dichter sind
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als in einem bestimmten kristallinen Hochdruckzustand?
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Unter sehr hohem Druck nimmt Germanium andere
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Kristallstrukturen an, sogenannte Hochdruckphasen, die
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metallische Leitfähigkeit zeigen.
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Das heißt, dass man durch Druck aus einem Halbleiter ein Metall
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machen kann, das ist physikalisch faszinierend und
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zeigt, wie stark Druck die Eigenschaften von Materialien
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verändern kann, in. Interessant ist auch, dass
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Germanium eine extrem reine Form benötigt, um als Halbleiter
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zuverlässig zu funktionieren. Der Reinheitsgrad von Germanium
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für elektronische Anwendungen liegt bei 99,9999% oder mehr,
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also maximal ein Fremdatom auf 1000000 Germaniumatome diesen
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Reinheitsgrad zu erreichen, ist eine enorme technologische
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Herausforderung und erfordert aufwändige
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Raffinationsverfahren. Fahren wie die Zonenreinigung
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und dann ist da noch die Frage, warum das Element nach
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Deutschland benannt wurde und nicht nach Sachsen oder dem
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Erzgebirge. Clemens Winkler wollte das
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Element ursprünglich Neptunium nennen, in Anspielung auf den
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Planeten Neptun, der einige Jahre zuvor auf Basis
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mathematischer Berechnungen entdeckt worden war, eine
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Parallele zur Vorhersage mendeleyevs.
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Doch dieser Name war bereits vergeben worden.
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Also wählte Winkler Germanium, und damit hat ein unscheinbares
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Mineral aus dem sächsischen Erzgebirge dem modernen
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Deutschland einen bleibenden Eintrag im Periodensystem der
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Elemente hinterlassen. Die Zukunft sieht
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vielversprechend aus in der Quantentechnologie werden
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Germaniumbasierte Quantenbits, sogenannte Cubits, intensiv
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erforscht. Germanium Spin Cubits in dünnen
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Schichten aus Germanium oder Silicium Germanium zeigen
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besonders gute Eigenschaften. Sie lassen sich präzise
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kontrollieren, sind vergleichsweise
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störungsresistent und lassen sich mit den bewährten Methoden
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der Halbleiterfertigung herstellen.
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Das könnte Germanium zu einem Schlüsselmaterial der
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zukünftigen Quantencomputer machen, auch in der Solartechnik
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spielt Germanium eine Rolle. Hochleistungssolarzellen für die
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Raumfahrt die sogenannten Multi Junction Solarzellen verwenden
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Germanium als Substrat, also als Trägermaterial.
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Diese Solarzellen erreichen Wirkungsgrade von über 40% weit
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mehr als die in der terrestrischen Solartechnik
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üblichen Werte auf Satelliten und Raumsonden, wo Gewicht und
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Fläche kostbar sind, ist dieser Effizienzgewinn seinen Preis
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wert. Und in der Photonik der Technik
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mit Licht, ist Germanium ein aufsteigender Star.
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Germanium Photo Detektoren können Licht im nahen
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Infrarotbereich sehr effizient erfassen und spielen eine
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wichtige Rolle in hochgeschwindigkeits
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Datenkommunikation in Lidar Systemen für autonomes Fahren
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und in wissenschaftlichen Messgeräten.
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Manchmal braucht es eine Geschichte wie die des
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Germaniums, um zu verstehen, wie tief die Naturwissenschaften in
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unser aller Leben eingebettet sind.
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Ein Element, das vor gut 150 Jahren als mathematische
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Vorhersage existierte, bevor es je jemand mit Händen berührt
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hatte. Ein Element, das die ersten
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Transistoren befeuerte und damit den Grundstein für die digitale
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Revolution legte. Das war die heutige Folge der
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Wissensreise durch das Periodensystem der Elemente über
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Germanium, das vergessene Halbmetall, das in Stille die
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Welt mitgestaltet hat. Wenn dir diese Folge gefallen
25:37
hat, bewerte den Podcast gerne und empfehle ihn weiter und
25:42
schau doch auch mal in unsere anderen Reihen rein.
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Wissensreise durch die Uhrzeit oder Wissensreise durch die
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Länder der Erde warten mit ebenso spannenden Themen auf
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dich. Bis zur nächsten Folge.
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Bleib neugierig.