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Germanium

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      Germanium

Le germanium est l'élément chimique de numéro atomique 32, de symbole Ge. C'est un membre du groupe des cristallogènes.

Ce métalloïde est semi-conducteur et a la structure du diamant, comme le silicium. Il possède cinq isotopes naturels, dont le 76Ge, qui est faiblement radioactif. Au moins 27 radioisotopes ont été synthétisés.

La quasi-totalité du germanium est récupérée dans les fonderies de zinc (sous-produit de fusion).

Les premiers transistors avaient comme substrat le germanium.

Histoire de sa découverte, dénomination et production

Argyrodite - Mine Himmelsfürst, Brand-Erbisdorf

Le savant allemand Clemens Winkler a découvert le germanium le . Winkler l'a isolé et identifié à partir du minéral argyrodite provenant de la mine d'argent Himmelsfürst près de Freiberg (Saxe). En 1871, Dmitri Mendeleïev avait prévu son existence[1] (il appela cet élément inconnu « ékasilicium Es »[2]) et quelques-unes de ses propriétés en se fondant sur sa position sur son tableau périodique.

Winkler a nommé le nouvel élément du nom de sa patrie, par analogie avec le nom de Gallium (dérivé de Gaule) choisi par le savant français Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran. Mais l'origine du nom du gallium est controversée. Il pourrait en effet dériver, non du pays, mais de la forme latinisée du nom de son découvreur gallus (coq, en latin) ; Winkler aurait alors été victime d'une méprise sémantique[2]. Cette théorie est pourtant en opposition avec l'affirmation même de Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran dans son article sur sa découverte où il affirme avoir donné ce nom à l'élément « en l'honneur de la France »[3].

La Société minière et métallurgique de Peñarroya a été l'un des premiers producteurs mondiaux de germanium durant toute la durée de vie de la mine de Saint-Salvy[4].

Isotopes

Article détaillé : Isotopes du germanium.

Le germanium possède 32 isotopes connus, de nombre de masse variant de 58 à 89, ainsi que 13 isomères nucléaires. Cinq de ces isotopes sont présents dans la nature 70Ge, 72Ge, 73Ge, 74Ge et 76Ge, ce dernier étant très légèrement radioactif, se désintégrant par double désintégration bêta en sélénium 76 avec une demi-vie de 1,78 × 1021 années[5] (130 milliards de fois l'âge de l'univers). L'isotope stable 74Ge est le plus commun, avec une abondance naturelle d'environ 36 %, le moins commun étant 76Ge (environ 7 %)

Gisement

Le germanium peut être trouvé en beaucoup d'endroits. Actuellement, il est récupéré comme sous-produit à partir de minerais de zinc sphalérite (formule chimique du minéral : ZnS, cubique). Il est présent dans la germanite (qui en contient jusqu'à 9 %, cubique), la renierite[6] (tétragonale), l'argyrodite (4Ag2S · GeS2, soit Ag8GeS6, orthorhombique) et dans d'autres minerais[7], qui ne sont pas exploités.

C'est un élément rare, sa teneur dans la croûte terrestre est très faible, environ 1,5 ppm[8],[1]. On le trouve à l'état de traces dans les cendres de certains types de charbon (nommés « vitrain » (en)) après affinage de ceux-ci. En France, il est aussi présent dans des filons Pb-Zn.

La production mondiale, en 2004, était estimée à 40 t (Chine, USA, etc.)[1]. La Chine produisait, en 2006, 79 % de l'approvisionnement mondial[9].

Le tétrachlorure de germanium (un liquide volatil qui bout à 86 °C et peut être distillé) est un intermédiaire pour la purification du germanium métal ou de son oxyde, GeO2. La technique permet la production de germanium d'ultra-haute pureté. En fait, des techniques d'affinage de zone ont conduit à la production de germanium cristallin pour semi-conducteur de pureté 10-9 : 99,99999999 % (seulement 0,1 ppb d'impureté)[1].

Applications

Bol en germanium

L'effet transistor a été observé en 1948 dans du germanium[1]. Il a servi de substrat semi-conducteur jusqu'à ce que le silicium prenne sa place, vers les années 1970. Des transistors au germanium sont encore employés de nos jours comme composants principaux de certaines pédales d'effet pour guitare électrique, dites « fuzz », pour leur sonorité supposée particulière et qui serait appréciée des amateurs de sons « 70's ». Aujourd'hui, il est plus utilisé dans le domaine des hautes fréquences, pour la réalisation de diodes à faible chute (0,3 V environ, application en détection) du poste à diode et dans les cellules photovoltaïques multi-jonction pour utilisations spatiale et terrestre après concentration. On le trouve également à l'état d'alliage ou de multicouches avec le silicium (SiGe). À l'origine, les motivations de son dépôt en alternance avec le Si reposaient sur la possibilité de rendre la bande interdite du Si et du Ge directe (cette propriété étant importante pour les applications opto-électroniques). Cette technique est aussi utilisée pour introduire des contraintes qui améliorent la mobilité des porteurs dans les transistors à effet de champ. Les transistors SiGe sont des transistors bipolaires à hétérojonction qui sont couramment utilisés dans le domaine des hyperfréquences en amplification faibles signaux (facteur de bruit faible).

Sa deuxième utilisation se trouve dans les verres, grâce à sa transparence à l'infrarouge. La structure du germanium ne peut être détruite par le rayonnement neutronique, comme pour l'acier. Par contre, l'irradiation aux neutrons rapides introduit des défauts ponctuels qui recuisent vers 200 °C.

En 2007, les applications principales étaient la fabrication de fibres optiques (35 %), l'optique dans le domaine de l'infrarouge (20 %), les catalyseurs (20 %)[10], l'électronique (15 %) et certains types de cellules photovoltaïques.

Dans les années 1980, le germanium était considéré comme l'une des huit matières premières stratégiques indispensables en temps de guerre comme en temps de paix[11].

Présence alimentaire

La FNCLCC rappelle pour sa part que « […] le germanium a des effets toxiques graves sur les nerfs et surtout les reins, certains ayant entraîné la mort par insuffisance rénale. C’est donc un produit inactif et toxique. »[12]

Il est principalement contenu dans l'ail (754 mg·kg-1), les grosses racines de ginseng de Corée (jusqu'à 4 000 mg·kg-1 [13]), les champignons du genre Ganoderma (Ling Shing) qui en contiennent jusqu'à 2,5 mg·kg-1, l'algue Chlorella et dans la boisson traditionnelle kombucha.

Notes et références

  1. ↑ a b c d et e (en) François Cardarelli, Materials Handbook : A Concise Desktop Reference, Springer Verlag, , 2e éd., 1340 p. (ISBN 9781846286681, lire en ligne), p. 469
  2. ↑ a et b François Dagognet, Tableaux et langages de la chimie : Essai sur la représentation, Champ Vallon, , 210 p. (ISBN 2-87673-343-9, lire en ligne), p. 95.
  3. ↑ [1]
  4. ↑ Gilbert Troly, « La Société minière et métallurgique de Peñarroya » dans La France et les mines d'Outre-mer, août 2008 lire en ligne.
  5. ↑ A. M. Bakalyarov, A. Ya. Balysh, S. T. Belyaev, V. I. Lebedev, S. V. Zhukov, « Results of the experiment on investigation of Germanium-76 double beta decay », Phys.Part.Nucl.Lett.  ; Pisma Fiz.Elem.Chast.Atom.Yadra 1-8, vol. 2, no 2,‎ , p. 77–81 (Bibcode 2003hep.ex....9016B, arXiv hep-ex/0309016)
  6. ↑ Nommée d'après le géologue belge Armand Renier, Directeur du Belgian Geological Survey, qui l'a découverte en 1948.
  7. ↑ (en) George Stuart Brady, Henry R. Clauser, John A. Vaccari, Materials Handbook, McGraw-Hill, , 15e éd., 1244 p. (ISBN 0-07-136076-X, lire en ligne), p. 79, 437
  8. ↑ (en) D. C. Ayres, D.G. Hellier, Dictionary of Environmentally Important Chemicals, Blackie Academic and Professional, , 1re éd., 332 p. (ISBN 0-7514-0256-7, lire en ligne), p. 154
  9. ↑ Arnaud de la Grange, « Pékin joue de l'arme des « terres rares » », Le Figaro, le 25 octobre 2010
  10. ↑ Le dioxyde de germanium est très employé comme catalyseur de polymérisation pour la production de PET : fibres textiles, bouteilles en plastique, films, etc.
  11. ↑ Avec le titane (sous-marins de chasse, alliage extrêmement résistant) ; magnésium (explosifs) ; platine (contacts aussi conducteurs que l'or pour l'aviation, circuits avec contacts rapides) ; mercure (chimie nucléaire, instruments de mesure) ; molybdène (acier) ; cobalt (chimie nucléaire) ; colombium (alliages spéciaux extrêmement rares). (Christine Ockrent et comte de Marenches, Dans le secret des princes, éd. Stock, 1986, p. 193)
  12. ↑ Simon Schraub, Germanium, FNCLCC - Le dictionnaire des cancers de A à Z, 16/5/2002, mis à jour le 15/12/2005
  13. ↑ (en) Gary Stephan Bañuelos, Zhi-Qing Lin, Development and Uses of Biofortified Agricultural Products, CRC Press, , 297 p. (ISBN 978-1-4200-6005-8, lire en ligne), p. 273

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