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氫化鍺
鎖定
- 中文名
- 氫化鍺
- 外文名
- Germane
- 別 名
- 鍺烷
- 化學式
- GeH4
- 分子量
- 76.672
- CAS登錄號
- 7782-65-2
- EINECS登錄號
- 231-961-6
- 熔 點
- -165 ℃
- 沸 點
- -91 至 -90 ℃
- 水溶性
- 不溶
- 外 觀
- 無色氣體
- 應 用
- 製備高純鍺半導體
- 安全性描述
- S16;S24;S26;S36/37/39;S45
- 危險性符號
- T+;F+
- 危險性描述
- R12;R17;R21/22;R23;R26
- UN危險貨物編號
- 2192
氫化鍺理化性質
氫化鍺物理性質
熔點:-165℃
沸點:-91~-90℃
外觀:無色氣體
氫化鍺化學性質
與硅烷不同,鍺烷在空氣中不自燃。GeH4能與空氣混合而不發生化學變化,升温至160℃-183℃才逐漸被氧化(在低壓下需要升温至320℃才起反應)。GeH4大約在280℃分解為鍺和氫,375℃迅速分解。
鍺烷與過量氧的反應按下式進行:
GeH4+ 2O2→ GeO2+ 2H2O
鍺烷與硅烷都是強還原劑,例如GeH4與硝酸銀水溶液反應能放出氫氣並析出黑色的鍺與銀的混合物。硅烷在稀鹼溶液中迅速水解,而GeH4不但與稀鹼溶液不反應,甚至與33%的NaOH溶液及1mol/L的HBr溶液中也不水解。
鍺烷的液氨溶液具有導電性,是由於其在液氨中發生了電離:
GeH4 + NH3 → NH4++ GeH3-
因此鍺烷與鈉或鉀在液氨中反應,分別生成白色固體NaGeH3和KGeH3,這兩種物質在室温下都不穩定。
氫化鍺製備方法
往燒瓶中裝入120mL冰醋酸,急劇通入氮氣或氬氣。在25mL水中先溶解2gKOH,再溶解1gGeO2,接着溶解1.5g KBH4(BH4-/Ge=2.9),製成混合溶液,將此混合溶液在10min內加到冰醋酸中。在燒瓶中產生少量多氫化鍺GeHx。全部溶液加完後,再通5min惰性氣體,接着將反應燒瓶與真空系統連接的旋塞關閉。使真空系統處於十分真空的狀態。甲鍺烷、乙鍺烷、甚至痕量的丙鍺烷、水、乙酸、二氧化碳等都積聚在液氮冷卻的接收器中。利用三氯甲烷固體及液體所組成的漿狀物所冷卻的接收器(-63.5℃)進行蒸餾,以除去丙鍺烷、水、乙酸。二氧化碳可以逐步通過鹼石灰及高氯酸鎂接收器而除去。最後,在二硫化碳的泥漿浴(-111.99℃)中進行蒸餾,就可以使甲鍺烷與乙鍺烷分離。
[1]
氫化鍺應用領域
甲鍺烷在較高温度下時分解為鍺和氫氣。這種對熱不穩定性被用於半導體工業中,即有機金屬化學氣相沉積法(MOVPE)。由於甲鍺烷毒性較大,某些有機鍺化合物(如異丁基鍺)可以替代甲鍺烷,應用於MOVPE中。
氫化鍺用於生產高純鍺
鍺烷作為高純單質鍺的重要來源之一,主要用於半導體,紅外技術等方面。採用鍺烷製備單質鍺具有以下優點:鍺烷分解在較低的温度下進行,並具有高的生產能力和高的產量,原始化合物和反應產品具有較小的反應能力,不需要補充試劑。
20世紀60年代以前,鍺一直是作為重要的半導體材料而被大量採用,95%以上的鍺是用於製造半導體器件,以後由於硅材料的崛起,致使鍺在半導體領域的用量一落千丈。但鍺器件具有其它器件所無法比擬的優越性,鍺具有非常小的飽和電阻,幾乎無熱輻射、功耗極小等優點。紅外光學是耗鍺最多的領域之一,美國和日本一直把鍺烷作為戰略儲備物資用於軍事方面。此外,鍺在光纖、催化劑、醫藥、食品等領域仍然保持着一定的消耗量,還用於電阻温度計等。因此,即使硅材料被廣泛使用,鍺的生產也是必不可少的,而鍺烷分解法是生產高純鍺的最佳方法之一。
氫化鍺用於太陽能電池
鍺烷在電子工業中主要用於金屬有機化合物氣相沉積(MOCVD)工藝,作為太陽能電池的重要前驅氣體,鍺烷主要用於製作含鍺的中等帶隙的非晶硅鍺合金吸收綠光的中間層,和鍺含量更高的窄帶隙的非晶硅鍺合金吸收紅光的底層。在非晶硅或者微晶硅薄膜材料中摻入鍺元素後,硅鍺薄膜材料就能夠大幅的調節材料向窄帶隙方向移動,從而提高硅基薄膜太陽電池的光譜響應範圍和太陽電池的光吸收效率,最終使得硅基薄膜太陽電池的轉換效率提高。
氫化鍺用於二極晶體管
鍺烷作為硅-鍺(Si-Ge)膜的前體。主要用於製造電子器件,如集成電路、光電器件,特別是製備異質結二極晶體管。在異質結二極晶體管(HBT)中,薄硅鍺層作為二極晶體管的基底生長在硅片上,與傳統的硅二極晶體管相比,硅-鍺HBT在速度、響應頻率和增益上具有明顯的優勢,其速度和頻率響應可以與更昂貴的鎵-砷HBT相比。
氫化鍺其他用途
鍺烷還應用於90nm以上CMOS(數碼攝像器材感光元件)、無線網絡、3G通訊器材半導體元件生產中的外延工藝。另外,鍺烷在擴散、離子注入等工序中也多有應用。
氫化鍺計算化學數據
疏水參數計算參考值(XlogP):0.5
氫鍵供體數量:0
氫鍵受體數量:0
可旋轉化學鍵數量:0
互變異構體數量:0
拓撲分子極性表面積(TPSA):0
重原子數量:1
表面電荷:0
複雜度:0
同位素原子數量:0
確定原子立構中心數量:0
不確定原子立構中心數量:0
確定化學鍵立構中心數量:0
不確定化學鍵立構中心數量:0
氫化鍺毒理學數據
急性毒性
小鼠經口LD50:1250mg/kg
氫化鍺安全信息
氫化鍺安全術語
S16:Keep away from sources of ignition - No smoking.
遠離火源,禁止吸煙。
S24:Avoid contact with skin.
避免皮膚接觸。
S26:In case of contact with eyes, rinse immediately with plenty of water and seek medical advice.
眼睛接觸後,立即用大量水沖洗並徵求醫生意見。
S36/37/39:Wear suitable protective clothing, gloves and eye/face protection.
穿戴適當的防護服、手套和眼睛/面保護。
S45:In case of accident or if you feel unwell, seek medical advice immediately (show the lable where possible).
發生事故時或感覺不適時,立即求醫(可能時出示標籤)。
氫化鍺風險術語
R12:Extremely flammable.
極易燃的。
R17:Spontaneously flammable in air.
在空氣中易自燃。
R21/22:Harmful in contact with skin and if swallowed.
與皮膚接觸和吞食是有毒的。
R23:Toxic by inhalation.
吸入有害。
R26:Very toxic by inhalation.
吸入有極高毒性。
- 參考資料
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- 1. 鍺烷 .化學+[引用日期2022-07-15]