蘇更林

稀散元素，不可或缺的戰(zhàn)略資源

在眾多金屬元素中，除了大宗金屬之外，尚有“三稀”金屬值得期待和關(guān)注。因?yàn)椤叭　苯饘偈桥嘤l(fā)展新一代信息技術(shù)、軍事工業(yè)、半導(dǎo)體工業(yè)、節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)、高端裝備制造業(yè)、新材料產(chǎn)業(yè)、新能源汽車產(chǎn)業(yè)等的必需材料，在世界未來高科技競(jìng)爭(zhēng)中扮演著極其重要的角色。

什么是“三稀”金屬？通常所說的“三稀”金屬，指的是稀土金屬、稀有金屬和稀散元素。稀土金屬包括鑭系元素和鈧、釔等17種元素，稀有金屬包括鈮、鉭、鋰、鈹、鋯、鉿、鍶、銣、銫9種元素，稀散元素包括鎵、鍺、銦、鉈、錸、鎘、硒、碲8種元素。

原來，鎵和鍺同屬稀散金屬的成員。所謂稀散金屬，其含義為“稀有”和“分散”。“稀有”是指在地殼中的豐度很低，“分散”是指在巖石中的分布極為分散。這樣的資源稟賦特點(diǎn)，就決定了鎵和鍺在自然界中通常不會(huì)以金屬形式單獨(dú)存在。

我國(guó)的鍺儲(chǔ)量主要分布于廣東、云南、吉林、四川、山西等地，主要存在于鉛鋅礦、銅礦和煤礦中。鎵儲(chǔ)量集中在山西、河南、廣西、貴州等地，主要伴生在鋁土礦床內(nèi)。通常，稀散金屬是以精煉廠的副產(chǎn)品（低濃度）形式生產(chǎn)的，再經(jīng)過專門的后續(xù)精加工，才能被應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。因此，鎵和鍺這兩種元素通常被歸類為“小金屬”。

“小金屬”的體量雖小，但作用不可低估。鑒于鎵和鍺在半導(dǎo)體材料、軍事工業(yè)以及新能源等領(lǐng)域的重要性，它們已被多個(gè)國(guó)家列為新興戰(zhàn)略關(guān)鍵礦產(chǎn)。

作為我國(guó)的優(yōu)勢(shì)礦產(chǎn)，鎵和鍺已經(jīng)被列入國(guó)家戰(zhàn)略性礦產(chǎn)名錄。無論是資源儲(chǔ)量，還是產(chǎn)量和出口量，我國(guó)的鎵和鍺均在全球占據(jù)領(lǐng)先地位，直接影響著全球鎵和鍺的供應(yīng)格局。

近年來，美國(guó)及其盟友對(duì)中國(guó)發(fā)起了“芯片戰(zhàn)爭(zhēng)”，對(duì)中國(guó)實(shí)施半導(dǎo)體出口管制，這些都嚴(yán)重威脅到了我國(guó)的高科技發(fā)展。為了維護(hù)國(guó)家安全和利益，我國(guó)對(duì)鎵、鍺實(shí)施出口管制有法可依，是正當(dāng)合理的。

鎵鍺出世，門捷列夫的先見之明

關(guān)于鎵和鍺兩個(gè)元素的出世，還有一段有趣的插曲。

1869年2月，門捷列夫制作了世界上第一張化學(xué)元素周期表，這是元素科學(xué)發(fā)展史上的一座豐碑，對(duì)后世科學(xué)技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。

然而，在元素周期表發(fā)表之初，人們對(duì)于其中所蘊(yùn)含的周期律看法不一，贊成者有之，質(zhì)疑者也有之。門捷列夫周期表的獨(dú)特之處在于對(duì)未知元素的預(yù)見性。比如，門捷列夫?qū)υ劓?、鈧和鍺的成功預(yù)測(cè)，就是他贏得掌聲的一個(gè)重要原因。

1875年，法國(guó)化學(xué)家布瓦博德蘭從閃鋅礦中發(fā)現(xiàn)了鎵元素，并將其元素符號(hào)定為Ga，中文名為“鎵”。當(dāng)時(shí)，門捷列夫預(yù)測(cè)鎵的密度為5.9～6克/立方厘米，而布瓦博德蘭測(cè)定的密度為4.7克/立方厘米。1876年5月，法國(guó)科學(xué)院在院刊上公布了布瓦博德蘭關(guān)于鎵的新發(fā)現(xiàn)。

不久，布瓦博德蘭收到了門捷列夫的來信，信中說讓他重新測(cè)定一下鎵的密度。于是，布瓦博德蘭把鎵提純之后重新進(jìn)行了測(cè)量，鎵的密度實(shí)測(cè)值為5.96克/立方厘米，與門捷列夫的預(yù)測(cè)十分吻合。此事在歐洲的震動(dòng)很大，初步顯示了元素周期律的鋒芒。

后來，鈧和鍺的發(fā)現(xiàn)喜訊相繼傳來。1879年，瑞典化學(xué)家尼爾森從鐿土中發(fā)現(xiàn)了鈧元素；1886年，德國(guó)化學(xué)家文克勒從硫銀鍺礦中發(fā)現(xiàn)了鍺元素……令人驚嘆不已的是，實(shí)測(cè)的鈧和鍺的理化性質(zhì)與門捷列夫的預(yù)測(cè)十分吻合，從而把門捷列夫發(fā)現(xiàn)的元素周期律推向了巔峰。

鎵：液態(tài)金屬，芯片之星

鎵是一種十分有趣的金屬，比如它的熔點(diǎn)很低（29.76℃），在人的手掌上就能熔化為液態(tài)。因此，鎵在室溫下是液態(tài)的。鎵是芯片制造的關(guān)鍵材料，如鎵的化合物是優(yōu)質(zhì)的半導(dǎo)體材料，被稱為半導(dǎo)體工業(yè)的“新星”。目前，消耗在半導(dǎo)體行業(yè)的金屬鎵資源占到了總消費(fèi)量的80%～85%。

半導(dǎo)體“新星”

在一定條件下，鎵能與硫、硒、碲、磷、砷、銻等發(fā)生反應(yīng)，從而生成鎵的系列化合物。它們都是優(yōu)質(zhì)的半導(dǎo)體材料，在光電子領(lǐng)域和微波通信領(lǐng)域具有極為廣泛的應(yīng)用。砷化鎵是繼硅半導(dǎo)體材料之后的又一種半導(dǎo)體材料，不僅是光電子器件的制造材料，而且在微電子技術(shù)方面也具有重要的應(yīng)用。

砷化鎵的最大特點(diǎn)是具有很好的光電性能，即在光照或外加電場(chǎng)的條件下，電子激發(fā)可以釋放出光能來，并且其光發(fā)射效率也要比其他半導(dǎo)體材料高一些。20世紀(jì)80年代，砷化鎵被廣泛應(yīng)用到微波器件、激光器和發(fā)光二極管等產(chǎn)品中，被認(rèn)為是最有發(fā)展前途的半導(dǎo)體材料。

磷化鎵是制作半導(dǎo)體發(fā)光元件的又一種優(yōu)質(zhì)材料。20世紀(jì)70年代，科學(xué)家先后用磷化鎵作為基板開發(fā)出了可以發(fā)黃色、橙色和綠色光的發(fā)光二極管。到了20世紀(jì)80年代，砷化鋁鎵的應(yīng)用促使了第一代高亮度發(fā)光二極管的誕生。到了20世紀(jì)90年代初，四元素半導(dǎo)體材料磷化鋁鎵銦的采用，使得發(fā)光二極管的發(fā)光效率有了很大的提高。

氮化鎵是III-V族半導(dǎo)體材料中最有希望的寬禁帶光學(xué)材料，曾于20世紀(jì)90年代初成就了藍(lán)色LED的輝煌。藍(lán)色LED的推出，又迎來了白光LED照明的新紀(jì)元。硅襯底氮化鎵基LED技術(shù)路線極大地提升了我國(guó)LED技術(shù)在國(guó)際上的地位。

與硅材料相比，氮化鎵具有更好的帶隙寬度、電子飽和遷移速度和擊穿場(chǎng)強(qiáng)。這些優(yōu)點(diǎn)使其在制造射頻器件和電力電子器件方面更具優(yōu)勢(shì)。如今，氮化鎵材料的研究與應(yīng)用已成為全球半導(dǎo)體研究的前沿和熱點(diǎn)，并成為研制微電子器件、光電子器件的第三代半導(dǎo)體材料。

太陽能電池

鎵的化合物半導(dǎo)體材料做成的太陽能電池，可以把太陽能直接轉(zhuǎn)變成電能，并且具有比較高的效率。最初太陽能電池的生產(chǎn)和使用成本比較高，因此常被應(yīng)用在航天和軍工領(lǐng)域?，F(xiàn)在，隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，砷化鎵太陽能電池的生產(chǎn)和使用成本都在降低，使得太陽能電池的應(yīng)用領(lǐng)域在不斷拓展。

隨著太陽能電池材料的不斷發(fā)展，人們對(duì)太陽能電池材料提出了更高的要求。其中，薄膜太陽能電池曾引起了人們的研究興趣。在銅銦鎵硒（CIGS）薄膜太陽能電池中，通過摻入適量鎵以替代部分同族的銦，可以調(diào)節(jié)CIGS的禁帶能隙，這是CIGS材料優(yōu)于硅系光伏材料的根本所在。同時(shí)，銅銦鎵硒材料的吸收系數(shù)很高，還具有較大范圍的太陽光譜的響應(yīng)特性。因此，薄膜太陽能電池成為全球光伏領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。

其他應(yīng)用

利用鎵的低熔點(diǎn)屬性，可以將其與其他金屬一起制成易熔合金，用于電路熔斷器和各種保險(xiǎn)裝置，如應(yīng)用于自動(dòng)滅火裝置，起到安全保險(xiǎn)的作用。如鎵與鉍、鉛、錫、鎘，銦、鉈等可以生成易熔合金，熔點(diǎn)一般低于60℃：含25%銦的鎵銦合金的熔點(diǎn)為16℃，含8%錫的鎵錫合金的熔點(diǎn)為20℃。利用鎵與銅、鎳、錫、金等成分還可制成冷焊劑，以解決異型薄壁產(chǎn)品難以焊接的難題。

雖然鎵的熔點(diǎn)非常低，但是它的沸點(diǎn)非常高。利用鎵的這個(gè)特性可以制成測(cè)量高溫的溫度計(jì)，主要用于煉鋼爐、反應(yīng)爐、原子反應(yīng)堆的溫度測(cè)量。在原子能工業(yè)中，鎵可以用作熱傳導(dǎo)物質(zhì)，把反應(yīng)堆中的熱量傳導(dǎo)出來。同時(shí)，利用鎵能吸收中子的性能，可以控制中子的數(shù)目和反應(yīng)速度。

鍺：黑暗“神眼”，尖端新材

鍺作為一種具有高純度、高遷移率和高耐熱性的“小金屬”，在國(guó)防軍工、航空航天、核物理探測(cè)、光纖通信、紅外光學(xué)、太陽能電池、化學(xué)催化劑和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域都有著極其廣泛的應(yīng)用。

“半導(dǎo)體之母”

當(dāng)今時(shí)代，一說到半導(dǎo)體，人們往往會(huì)聯(lián)想到硅芯片。其實(shí)，鍺也是一種半導(dǎo)體材料，并且在半導(dǎo)體發(fā)展史上占有舉足輕重的地位。在鍺被發(fā)現(xiàn)的最初的半個(gè)世紀(jì)里，人們并沒有為其找到合適的應(yīng)用場(chǎng)景，直到第二次世界大戰(zhàn)爆發(fā)，軍用雷達(dá)技術(shù)的進(jìn)步才為鍺的應(yīng)用搭建了一個(gè)平臺(tái)。當(dāng)時(shí)為了尋找適應(yīng)超短波的半導(dǎo)體材料，促成了世界上第一個(gè)鍺晶體管的誕生。

這個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)級(jí)的科技創(chuàng)新成果，開創(chuàng)了電子技術(shù)的一場(chǎng)新革命，同時(shí)也拓展了鍺的應(yīng)用范圍。20世紀(jì)50年代至60年代初，鍺一直在半導(dǎo)體領(lǐng)域處于主導(dǎo)地位。但從1965年開始，硅基半導(dǎo)體的異軍突起動(dòng)搖了鍺在半導(dǎo)體領(lǐng)域的地位。然而，鍺晶體的載流子遷移率要比硅高出許多，因此在高頻和超高頻范圍內(nèi)，鍺晶體管要優(yōu)于硅晶體管。因此，有人稱鍺為“半導(dǎo)體之母”“硅基芯片的鋪路石”。

夜視之“神眼”

夜視技術(shù)最早源于軍事上的需求，主要滿足夜間低照度條件下的隱蔽觀察。據(jù)稱，德軍在第二次世界大戰(zhàn)期間率先研究開發(fā)了紅外熱像儀。

其實(shí)，夜視技術(shù)可以有多種實(shí)現(xiàn)方案，并且分別適用于不同的場(chǎng)合。上文所說的“紅外熱像儀”，屬于紅外夜視技術(shù)中的被動(dòng)紅外夜視技術(shù)。它的技術(shù)原理是一切溫度高于絕對(duì)零度（-273℃）的物體都會(huì)產(chǎn)生紅外輻射。如果我們能夠把因目標(biāo)和背景溫度差異導(dǎo)致的紅外輻射差異探測(cè)出來，那么就可以還原目標(biāo)的圖景了。

1982年馬爾維納斯群島戰(zhàn)爭(zhēng)爆發(fā)，這是英國(guó)和阿根廷為爭(zhēng)奪馬爾維納斯群島的主權(quán)而爆發(fā)的一場(chǎng)戰(zhàn)爭(zhēng)。戰(zhàn)爭(zhēng)期間，英軍借助紅外夜視儀一舉攻占了阿軍的最大據(jù)點(diǎn)，并贏得了一場(chǎng)兵力懸殊的戰(zhàn)斗。原來，英軍的所有槍炮都配備了紅外夜視儀，而阿軍沒有配備該裝置。因此，英軍借助“黑暗神眼”掌握了戰(zhàn)爭(zhēng)的主動(dòng)權(quán)。

1991年，海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中的美軍同樣由于裝備了先進(jìn)的紅外夜視儀而贏得了戰(zhàn)爭(zhēng)先機(jī)?？梢娂t外夜視儀在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中的重要價(jià)值。

作為一種最先進(jìn)的夜視技術(shù)，被動(dòng)紅外夜視技術(shù)不受照度和煙霧等天氣因素的影響，在全黑或距離較遠(yuǎn)的場(chǎng)合具有較好的成像效果。事實(shí)上，軍用夜視技術(shù)一直都是世界各國(guó)競(jìng)相發(fā)展的領(lǐng)域，并且在戰(zhàn)爭(zhēng)中具有十分重要的意義。

研究紅外夜視技術(shù)，關(guān)鍵是要制造出能夠透過紅外線的光學(xué)材料。這種光學(xué)材料既要具有優(yōu)良的光學(xué)性能，又要具有一定的機(jī)械強(qiáng)度，還要具有很好的加工性能。事實(shí)上，鍺晶體就是最好的紅外光學(xué)材料之一。

原來，鍺單晶的折射系數(shù)很高，具有對(duì)紅外線透明、不透過可見光和紫外線的特性。因此，有人把金屬鍺稱為紅外熱像儀的“靈魂”。鍺單晶還是制作紅外器件的重要材料，被廣泛用于軍事和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，如紅外器件可用于軍事遙感、空間科學(xué)、紅外雷達(dá)、導(dǎo)彈制導(dǎo)、紅外通信、軍事跟蹤、災(zāi)害報(bào)警、火車車輪測(cè)溫、醫(yī)學(xué)檢測(cè)等諸多領(lǐng)域。

光纖摻雜劑

光纖通信是鍺的重要應(yīng)用之一，主要以四氯化鍺的形式進(jìn)行。我們知道，作為信息時(shí)代的高速公路，光纖通信具有容量大、頻帶寬、抗干擾、損耗低、成本低等優(yōu)勢(shì)。鍺在光纖通信中的應(yīng)用，主要包括光纖摻雜和光電轉(zhuǎn)換兩個(gè)方面。四氯化鍺（光纖級(jí)）是光纖預(yù)制棒生產(chǎn)中的重要摻雜劑，其主要作用就是提高纖芯的折射指數(shù)，以降低光的損耗。這樣一來，信息的無損長(zhǎng)距離傳輸就成為了可能。

其他應(yīng)用

將二氧化鍺用作玻璃制造添加劑，可增大玻璃的折射率和紅外透過率。因此，含有二氧化鍺的玻璃可用作紅外窗口、導(dǎo)流罩、廣角透鏡以及顯微鏡鏡頭等。

四氫化鍺也叫鍺烷，在常溫常壓下為無色氣體，具有刺激氣味并有毒性。鍺烷在350℃左右可以分解為鍺和氫，因此是生產(chǎn)高純鍺的最佳方式之一。作為一種重要的電子氣體，鍺烷可應(yīng)用于半導(dǎo)體、集成電路、太陽能等行業(yè)。

四氟化鍺作為一種多功能的化合物，具有極其廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景。四氟化鍺是一種重要的半導(dǎo)體材料，具有很好的電學(xué)性能和光學(xué)性能，因此被廣泛應(yīng)用于太陽能電池、光電傳感器、倍頻器等領(lǐng)域。

四氟化鍺還是一種理想的光學(xué)鍍膜材料，可應(yīng)用于紅外窗口、紅外濾光器、反射鏡等光學(xué)元件。同時(shí)，四氟化鍺在生物醫(yī)學(xué)和化學(xué)催化劑等領(lǐng)域也有應(yīng)用。

鍺酸鉍是一種重要的鍺產(chǎn)品，在醫(yī)學(xué)CT掃描、正電子發(fā)射層析術(shù)、X射線、高能物理、油井測(cè)量等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

有機(jī)鍺具有重要的生物活性和保健作用，在化妝品、醫(yī)藥和保健食品等領(lǐng)域具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

“小金屬”大作為，就是對(duì)鎵和鍺等稀散金屬的高度概括。未來高科技競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，做好鎵和鍺等戰(zhàn)略資源的管理和利用至關(guān)重要。充分挖掘鎵和鍺的科學(xué)價(jià)值，對(duì)于提高我國(guó)的科技實(shí)力具有重要的戰(zhàn)略意義。