鎵和鍺，值得被保護嗎？

差評君

現代雷達設備具有360度有源電子掃描陣列雷達，由氮化鎵（GaN）電路提供動力，這種物質可以增強雷達的信號，提高其靈敏度，并提高其可靠性。

砷化鎵可以用來制作“液態金屬軸承”。

氮化鎵充電器。

鎵可以改變其他金屬的化學鍵，從而可以“腐蝕”其他金屬。

鎵元素被廣泛應用于磁共振成像技術中，鎵的特殊磁性使其能夠增強磁場，從而提高圖像的對比度。

鎵是一種罕見的、柔軟的銀色金屬。鎵在室溫下非常脆弱，它的熔點是29.76攝氏度，所以拿在手里，鎵就會融化。鎵在自然界中不存在單質晶體，也沒有足夠豐富的鎵化合物來構成提取源。

鎵是原子序數為31的化學元素，其符號為Ga。

鎵被應用在LED燈的制造中。

鎵銦錫合金溫度計，液體溫度低于水的冰點。這種使用了合金的溫度計不僅和水銀體溫計一樣測量精確，且安全無毒。

用于集成電路和光電子器件的鎵。

2023年7月中國商務部、海關總署發布了《關于對鎵、鍺相關物項實施出口管制的公告》（以下簡稱《公告》）。公告說8月1日起，如鎵相關物（金屬鎵、氮化鎵等）和鍺相關物（金屬鍺、區熔鍺錠等），想要賣到海外，就必須要向中國商務部申請許可證。同時申請的時候還得主動報告買家是誰，買了回去要干什么等等。這消息一出，海內外一堆媒體都炸開了鍋，有人疑惑限制這兩種材料的出口有什么用，為什么不限制稀土的出口，今天就來聊聊這兩種材料都能干啥。

先說結論，鎵和鍺本身就很值得被保護起來。2020年《資源科學》的一篇論文中就評估了15種清潔能源技術關鍵金屬和他們的供應風險，其中對鎵和鍺的評價是：生產集中度很高，進而導致較高的地緣政治風險，并且具有伴生性，需求增加風險較高，故而整體供應風險水平較高。美國政府發布的《2022年對美國國家安全至關重要的礦物清單》中鎵和鍺都名列其中。

關鍵金屬的用途

鎵和鍺對于很多人來說還是比較陌生的，但和硅一樣，它們都是半導體材料。而提到半導體，不少人想到的可能是芯片。但這兩個東西其實是一種包含關系，芯片是半導體材料做的，但半導體材料不只能做芯片。半導體是一類材料的總稱，這類材料介于導體材料和絕緣體材料之間，能在一定條件下導電。半導體材料除了用于制造芯片以外還有很多不同的用法，比如光伏發電，紅外測距或者制造LED燈。

雖然硅片是做半導體的主力材料，但由于這些年來各國對各種科技設備的要求越來越高，也發現了很多單純硅片無法適應的活兒，比如說每個人都有的手機，里面使用的功放芯片。隨著網速越來越快，純硅做的功放芯片就會出現禁帶寬度不夠、臨界擊穿電場低、熱導率低等技術問題。所以此時，以砷化鎵為代表的第二代半導體，和以氮化鎵、碳化硅為主的第三代半導體就走上了舞臺。簡單來說，砷化鎵、氮化鎵提高了半導體材料在使用中的上限。

鎵這種材料很神奇。它作為單質的時候熔點很低，低到咱們用手一捏都會熔化。而鎵作為化合物的時候，又能展現非常好用的電氣特性，甚至一度被人們冠以“電子工業脊梁”的美名。具體鎵是如何給人們帶來好處的，看看我們身邊的充電插頭就知道了。“氮化鎵充電器”這幾年可沒少出風頭，因為它具有擊穿電場高、熱導率高、電子飽和速率高、抗輻射能力強等優勢，所以它耐高溫、耐高壓、可承受高頻的工作環境。前些年，一些充電器的功率還在的5瓦徘徊，而在用上了氮化鎵技術之后，直接將充電器的功率拉高到了200瓦，甚至充電頭的體積也能越做越小，不知道你還記不記得充電器曾經那種又大又重的模樣。

衛星上使用的鍺基的太陽能電池板。

除了這些之外，鎵化合物還在紅外傳感器、發光二極管、液態金屬、醫療化工等領域有著不錯的發展前景，甚至可以用來提升5G基站的性能。當然，鎵一族的化合物也一直是軍用設備的“心頭好”，在戰斗機和航母上的有源相控陣雷達，就需要用鎵化合物來增大發射功率并降低發熱。甚至美國都在軍事領域的公開文獻里承認了鎵化合物的特殊性：砷化鎵目前在國防部署中還沒有其他的替代品。

說完鎵，再來說說鍺。鍺元素自身的天然豐度（元素的相對含量）和半金屬化學性質導致它在歷史中很晚才被人們發現。與硅和鎵不同的是，鍺是半導體材料的初代王者，在人類利用硅之前，它基本就是半導體的代名詞。理論上不計成本的話，完全可以用鍺平替現在的硅做出各種芯片，甚至還能功耗更低。早期被稱作“半導體”的收音機用的就是鍺基晶體管，但由于成本、工藝、不耐高溫等問題，在上世紀60年代后就被硅趕下了半導體王座。

但鍺的化合物有非常好的光學特性。例如在光伏領域中，加入了鍺化合物的太陽能充電板在光吸收率和可靠度等方面都能“吊打”只用硅制作的版本，大部分天上飛的衛星也都得用鍺基的太陽能電池。而高純鍺單晶只對紅外光透明，因此可以用它做成專透紅外光的鍺透鏡，而哪里最需要紅外光學成像呢？答案就是夜視儀。就連我們現在每天都在使用的光纖，都離不開鍺的貢獻。光纖通信一直被宣傳成信息時代的“高速公路”，而鍺就是高速路的“鋪路石”，因為以鍺合成的四氯化鍺是制作光纖的必備原料。再在光纖里摻雜一些二氧化鍺，更能大幅提高玻璃纖維的折射率，降低信號的衰減。據統計，大概有34%的鍺都用到了光纖的制作上。

總體來說，鎵和鍺雖然不是我們常說的稀土元素，但它們在電子信息產業甚至國防領域中都有一定程度上的不可替代性，同時，中國也占了這兩種金屬產能的絕大頭，這也是我們可以實施管制的底氣。根據長江有色金屬網的數據，全球探明的金屬鎵儲量只有27.93萬噸，而中國擁有19萬噸，占比在68%。從美國地質調查局的數據也可以看到，2022年中國的鎵產量約占全球初級低純鎵產量的98%，遙遙領先其他競爭對手。而鍺的產量中國依然是世界第一，近十年來中國累計供應了全球68.5%的鍺。鍺的儲量中國排世界第二，占全球儲量的41%。

鎵和鍺的開采難度

相對硅來說，鎵和鍺都是偏小眾的用料，價格也都不是很貴。但是“不貴”的前提是這些金屬都是由中國進行生產的，如果換其他國家來做就完全不是一回事兒了。由于兩種金屬性質比較活躍的原因，無論是鎵還是鍺，在自然界里都不存在單質金屬的形態。換句話說，也就沒有專門開采鎵和鍺的礦石或礦場，而是和其他礦物混在一起開采的。比如鎵，世界上基本不會有一條專門生產鎵的生產線，它的生產主要來自生產氧化鋁工業的副產物，而中國的氧化鋁產量占據了全球的57%，再憑借全球最完善的鎵提取技術，“順便”就把鎵給產了。如果沒有氧化鋁產業的基礎，想要單獨做一條“制作”鎵的生產線是不現實的。

假如其他國家被逼急了，非要做一條鎵的生產線呢？那么可能會先從做一條氧化鋁的生產線開始，但同時還是會面臨很多新的問題。比如你生產出來的鋁賣給誰？因為氧化鋁產能過剩已經是一個老問題了，目前氧化鋁的主流消耗是拉去生產電解鋁，但是生產電解鋁的過程用電量非常龐大。比如常住人口不到400萬的濱州，因為生產電解鋁耗電的原因，在2021年濱州（1240.5億千瓦時）的用電量比2000多萬人口的北京（1232.9億千瓦時）還要多，電費就是一筆不小的開支。

就鍺的生產而言，中國儲量是世界第二，而儲量第一的是美國。可美國的鍺雖然多，但想單獨開采卻面臨一個很難的問題。那就是在美國的鍺主要是和鉛鋅礦伴生，但是美國的鉛鋅行業規模很小，所以鍺的開采量也少。而我國的鍺主要是來自褐煤礦，開采比較方便，同時褐煤的需求量也大，鍺的產量也就多。所以，從2014年至2017年間，美國58%的鍺金屬都是從中國進口。面對這兩種材料，國外硬要重新再建生產線靠自己生產，成本都會急劇上升。以前依靠從中國“買買買”就能生存的那些國外企業、組織，最近就免不了要走我國提出的申請通道并遵守中國的規則了。

這也就是為什么這次的管制會被大部分媒體解讀為是對西方封鎖咱們芯片的反制了，我們再看回《公告》原文，其實管制原因已經講清楚了：“ 為維護國家安全和利益 。”而在2023年7月5日的外交部的例行發布會上，外交部發言人毛寧也再次重申了：“ 不針對任何特定國家 。”

對于這些被管制的原材料我們也必須要意識到是否有消化它們的能力，否則就會降低我國的自主性。這也對我們生產鎵和鍺等諸多化合物深加工環節的國產化提出了較高的要求。根據一些研報資料顯示，目前我們在某些技術上也不是那么完備，某些專利也還掌握在國外企業手上，這也督促我國的科研機構需要再加把勁，爭取早日實現技術國產化。最后還是建議大家還是放平心態，背背元素周期表，反正我今天已經背到“鈮”了……

（責編：南名俊岳）