镓&锗，“小金属”大作为

苏更林

稀散元素，不可或缺的战略资源

在众多金属元素中，除了大宗金属之外，尚有“三稀”金属值得期待和关注。因为“三稀”金属是培育发展新一代信息技术、军事工业、半导体工业、节能环保产业、高端装备制造业、新材料产业、新能源汽车产业等的必需材料，在世界未来高科技竞争中扮演着极其重要的角色。

什么是“三稀”金属？通常所说的“三稀”金属，指的是稀土金属、稀有金属和稀散元素。稀土金属包括镧系元素和钪、钇等17种元素，稀有金属包括铌、钽、锂、铍、锆、铪、锶、铷、铯9种元素，稀散元素包括镓、锗、铟、铊、铼、镉、硒、碲8种元素。

原来，镓和锗同属稀散金属的成员。所谓稀散金属，其含义为“稀有”和“分散”。“稀有”是指在地壳中的丰度很低，“分散”是指在岩石中的分布极为分散。这样的资源禀赋特点，就决定了镓和锗在自然界中通常不会以金属形式单独存在。

我国的锗储量主要分布于广东、云南、吉林、四川、山西等地，主要存在于铅锌矿、铜矿和煤矿中。镓储量集中在山西、河南、广西、贵州等地，主要伴生在铝土矿床内。通常，稀散金属是以精炼厂的副产品（低浓度）形式生产的，再经过专门的后续精加工，才能被应用于工业领域。因此，镓和锗这两种元素通常被归类为“小金属”。

“小金属”的体量虽小，但作用不可低估。鉴于镓和锗在半导体材料、军事工业以及新能源等领域的重要性，它们已被多个国家列为新兴战略关键矿产。

作为我国的优势矿产，镓和锗已经被列入国家战略性矿产名录。无论是资源储量，还是产量和出口量，我国的镓和锗均在全球占据领先地位，直接影响着全球镓和锗的供应格局。

近年来，美国及其盟友对中国发起了“芯片战争”，对中国实施半导体出口管制，这些都严重威胁到了我国的高科技发展。为了维护国家安全和利益，我国对镓、锗实施出口管制有法可依，是正当合理的。

镓锗出世，门捷列夫的先见之明

关于镓和锗两个元素的出世，还有一段有趣的插曲。

1869年2月，门捷列夫制作了世界上第一张化学元素周期表，这是元素科学发展史上的一座丰碑，对后世科学技术的发展产生了深远的影响。

然而，在元素周期表发表之初，人们对于其中所蕴含的周期律看法不一，赞成者有之，质疑者也有之。门捷列夫周期表的独特之处在于对未知元素的预见性。比如，门捷列夫对元素镓、钪和锗的成功预测，就是他赢得掌声的一个重要原因。

1875年，法国化学家布瓦博德兰从闪锌矿中发现了镓元素，并将其元素符号定为Ga，中文名为“镓”。当时，门捷列夫预测镓的密度为5.9～6克/立方厘米，而布瓦博德兰测定的密度为4.7克/立方厘米。1876年5月，法国科学院在院刊上公布了布瓦博德兰关于镓的新发现。

不久，布瓦博德兰收到了门捷列夫的来信，信中说让他重新测定一下镓的密度。于是，布瓦博德兰把镓提纯之后重新进行了测量，镓的密度实测值为5.96克/立方厘米，与门捷列夫的预测十分吻合。此事在欧洲的震动很大，初步显示了元素周期律的锋芒。

后来，钪和锗的发现喜讯相继传来。1879年，瑞典化学家尼尔森从镱土中发现了钪元素；1886年，德国化学家文克勒从硫银锗矿中发现了锗元素……令人惊叹不已的是，实测的钪和锗的理化性质与门捷列夫的预测十分吻合，从而把门捷列夫发现的元素周期律推向了巅峰。

镓：液态金属，芯片之星

鎵是一种十分有趣的金属，比如它的熔点很低（29.76℃），在人的手掌上就能熔化为液态。因此，镓在室温下是液态的。镓是芯片制造的关键材料，如镓的化合物是优质的半导体材料，被称为半导体工业的“新星”。目前，消耗在半导体行业的金属镓资源占到了总消费量的80%～85%。

半导体“新星”

在一定条件下，镓能与硫、硒、碲、磷、砷、锑等发生反应，从而生成镓的系列化合物。它们都是优质的半导体材料，在光电子领域和微波通信领域具有极为广泛的应用。砷化镓是继硅半导体材料之后的又一种半导体材料，不仅是光电子器件的制造材料，而且在微电子技术方面也具有重要的应用。

砷化镓的最大特点是具有很好的光电性能，即在光照或外加电场的条件下，电子激发可以释放出光能来，并且其光发射效率也要比其他半导体材料高一些。20世纪80年代，砷化镓被广泛应用到微波器件、激光器和发光二极管等产品中，被认为是最有发展前途的半导体材料。

磷化镓是制作半导体发光元件的又一种优质材料。20世纪70年代，科学家先后用磷化镓作为基板开发出了可以发黄色、橙色和绿色光的发光二极管。到了20世纪80年代，砷化铝镓的应用促使了第一代高亮度发光二极管的诞生。到了20世纪90年代初，四元素半导体材料磷化铝镓铟的采用，使得发光二极管的发光效率有了很大的提高。

氮化镓是III-V族半导体材料中最有希望的宽禁带光学材料，曾于20世纪90年代初成就了蓝色LED的辉煌。蓝色LED的推出，又迎来了白光LED照明的新纪元。硅衬底氮化镓基LED技术路线极大地提升了我国LED技术在国际上的地位。

与硅材料相比，氮化镓具有更好的带隙宽度、电子饱和迁移速度和击穿场强。这些优点使其在制造射频器件和电力电子器件方面更具优势。如今，氮化镓材料的研究与应用已成为全球半导体研究的前沿和热点，并成为研制微电子器件、光电子器件的第三代半导体材料。

太阳能电池

镓的化合物半导体材料做成的太阳能电池，可以把太阳能直接转变成电能，并且具有比较高的效率。最初太阳能电池的生产和使用成本比较高，因此常被应用在航天和军工领域。现在，随着科学技术水平的不断提高，砷化镓太阳能电池的生产和使用成本都在降低，使得太阳能电池的应用领域在不断拓展。

随着太阳能电池材料的不断发展，人们对太阳能电池材料提出了更高的要求。其中，薄膜太阳能电池曾引起了人们的研究兴趣。在铜铟镓硒（CIGS）薄膜太阳能电池中，通过掺入适量镓以替代部分同族的铟，可以调节CIGS的禁带能隙，这是CIGS材料优于硅系光伏材料的根本所在。同时，铜铟镓硒材料的吸收系数很高，还具有较大范围的太阳光谱的响应特性。因此，薄膜太阳能电池成为全球光伏领域研究的热点之一。

其他应用

利用镓的低熔点属性，可以将其与其他金属一起制成易熔合金，用于电路熔断器和各种保险装置，如应用于自动灭火装置，起到安全保险的作用。如镓与铋、铅、锡、镉，铟、铊等可以生成易熔合金，熔点一般低于60℃：含25%铟的镓铟合金的熔点为16℃，含8%锡的镓锡合金的熔点为20℃。利用镓与铜、镍、锡、金等成分还可制成冷焊剂，以解决异型薄壁产品难以焊接的难题。

虽然镓的熔点非常低，但是它的沸点非常高。利用镓的这个特性可以制成测量高温的温度计，主要用于炼钢炉、反应炉、原子反应堆的温度测量。在原子能工业中，镓可以用作热传导物质，把反应堆中的热量传导出来。同时，利用镓能吸收中子的性能，可以控制中子的数目和反应速度。

锗：黑暗“神眼”，尖端新材

锗作为一种具有高纯度、高迁移率和高耐热性的“小金属”，在国防军工、航空航天、核物理探测、光纤通信、红外光学、太阳能电池、化学催化剂和生物医学等领域都有着极其广泛的应用。

“半导体之母”

当今时代，一说到半导体，人们往往会联想到硅芯片。其实，锗也是一种半导体材料，并且在半导体发展史上占有举足轻重的地位。在锗被发现的最初的半个世纪里，人们并没有为其找到合适的应用场景，直到第二次世界大战爆发，军用雷达技术的进步才为锗的应用搭建了一个平台。当时为了寻找适应超短波的半导体材料，促成了世界上第一个锗晶体管的诞生。

这个诺贝尔奖级的科技创新成果，开创了电子技术的一场新革命，同时也拓展了锗的应用范围。20世纪50年代至60年代初，锗一直在半导体领域处于主导地位。但从1965年开始，硅基半导体的异军突起动摇了锗在半导体领域的地位。然而，锗晶体的载流子迁移率要比硅高出许多，因此在高频和超高频范围内，锗晶体管要优于硅晶体管。因此，有人称锗为“半导体之母”“硅基芯片的铺路石”。

夜视之“神眼”

夜视技术最早源于军事上的需求，主要满足夜间低照度条件下的隐蔽观察。据称，德军在第二次世界大战期间率先研究开发了红外热像仪。

其实，夜视技术可以有多种实现方案，并且分别适用于不同的场合。上文所说的“红外热像仪”，属于红外夜视技术中的被动红外夜视技术。它的技术原理是一切温度高于绝对零度（-273℃）的物体都会产生红外辐射。如果我们能够把因目标和背景温度差异导致的红外辐射差异探测出来，那么就可以还原目标的图景了。

1982年马尔维纳斯群岛战争爆发，这是英国和阿根廷为争夺马尔维纳斯群岛的主权而爆发的一场战争。战争期间，英军借助红外夜视仪一举攻占了阿军的最大据点，并赢得了一场兵力悬殊的战斗。原来，英军的所有枪炮都配备了红外夜视仪，而阿军没有配备该装置。因此，英军借助“黑暗神眼”掌握了战争的主动权。

1991年，海湾战争中的美军同样由于装备了先进的红外夜视仪而赢得了战争先机。可见红外夜视仪在现代战争中的重要价值。

作为一种最先进的夜视技术，被动红外夜视技术不受照度和烟雾等天气因素的影响，在全黑或距离较远的场合具有较好的成像效果。事实上，军用夜视技术一直都是世界各国竞相发展的领域，并且在战争中具有十分重要的意义。

研究红外夜视技术，关键是要制造出能够透过红外线的光学材料。这种光学材料既要具有优良的光学性能，又要具有一定的机械强度，还要具有很好的加工性能。事实上，锗晶体就是最好的红外光学材料之一。

原来，锗单晶的折射系数很高，具有对红外线透明、不透过可见光和紫外线的特性。因此，有人把金属锗称为红外热像仪的“灵魂”。锗单晶还是制作红外器件的重要材料，被广泛用于军事和工农业生产，如红外器件可用于军事遥感、空间科学、红外雷达、导弹制导、红外通信、军事跟踪、灾害报警、火车车轮测温、医学检测等诸多领域。

光纤掺杂剂

光纤通信是锗的重要应用之一，主要以四氯化锗的形式进行。我们知道，作为信息时代的高速公路，光纤通信具有容量大、频带宽、抗干扰、损耗低、成本低等优势。锗在光纤通信中的应用，主要包括光纤掺杂和光电转换两个方面。四氯化锗（光纤级）是光纤预制棒生产中的重要掺杂剂，其主要作用就是提高纤芯的折射指数，以降低光的损耗。这样一来，信息的无损长距离传输就成为了可能。

其他应用

将二氧化锗用作玻璃制造添加剂，可增大玻璃的折射率和红外透过率。因此，含有二氧化锗的玻璃可用作红外窗口、导流罩、广角透镜以及显微镜镜头等。

四氢化锗也叫锗烷，在常温常压下为无色气体，具有刺激气味并有毒性。锗烷在350℃左右可以分解为锗和氢，因此是生產高纯锗的最佳方式之一。作为一种重要的电子气体，锗烷可应用于半导体、集成电路、太阳能等行业。

四氟化锗作为一种多功能的化合物，具有极其广泛的应用场景。四氟化锗是一种重要的半导体材料，具有很好的电学性能和光学性能，因此被广泛应用于太阳能电池、光电传感器、倍频器等领域。

四氟化锗还是一种理想的光学镀膜材料，可应用于红外窗口、红外滤光器、反射镜等光学元件。同时，四氟化锗在生物医学和化学催化剂等领域也有应用。

锗酸铋是一种重要的锗产品，在医学CT扫描、正电子发射层析术、X射线、高能物理、油井测量等领域有着广泛的应用。

有机锗具有重要的生物活性和保健作用，在化妆品、医药和保健食品等领域具有一定的应用价值。

“小金属”大作为，就是对镓和锗等稀散金属的高度概括。未来高科技竞争日益激烈，做好镓和锗等战略资源的管理和利用至关重要。充分挖掘镓和锗的科学价值，对于提高我国的科技实力具有重要的战略意义。