鎵&鍺，“小金屬”大作為

蘇更林

稀散元素，不可或缺的戰略資源

在眾多金屬元素中，除了大宗金屬之外，尚有“三稀”金屬值得期待和關注。因為“三稀”金屬是培育發展新一代信息技術、軍事工業、半導體工業、節能環保產業、高端裝備制造業、新材料產業、新能源汽車產業等的必需材料，在世界未來高科技競爭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，就決定了鎵和鍺在自然界中通常不會以金屬形式單獨存在。

我國的鍺儲量主要分布于廣東、云南、吉林、四川、山西等地，主要存在于鉛鋅礦、銅礦和煤礦中。鎵儲量集中在山西、河南、廣西、貴州等地，主要伴生在鋁土礦床內。通常，稀散金屬是以精煉廠的副產品（低濃度）形式生產的，再經過專門的后續精加工，才能被應用于工業領域。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。鑒于鎵和鍺在半導體材料、軍事工業以及新能源等領域的重要性，它們已被多個國家列為新興戰略關鍵礦產。

作為我國的優勢礦產，鎵和鍺已經被列入國家戰略性礦產名錄。無論是資源儲量，還是產量和出口量，我國的鎵和鍺均在全球占據領先地位，直接影響著全球鎵和鍺的供應格局。

近年來，美國及其盟友對中國發起了“芯片戰爭”，對中國實施半導體出口管制，這些都嚴重威脅到了我國的高科技發展。為了維護國家安全和利益，我國對鎵、鍺實施出口管制有法可依，是正當合理的。

鎵鍺出世，門捷列夫的先見之明

關于鎵和鍺兩個元素的出世，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元素周期表，這是元素科學發展史上的一座豐碑，對后世科學技術的發展產生了深遠的影響。

然而，在元素周期表發表之初，人們對于其中所蘊含的周期律看法不一，贊成者有之，質疑者也有之。門捷列夫周期表的獨特之處在于對未知元素的預見性。比如，門捷列夫對元素鎵、鈧和鍺的成功預測，就是他贏得掌聲的一個重要原因。

1875年，法國化學家布瓦博德蘭從閃鋅礦中發現了鎵元素，并將其元素符號定為Ga，中文名為“鎵”。當時，門捷列夫預測鎵的密度為5.9～6克/立方厘米，而布瓦博德蘭測定的密度為4.7克/立方厘米。1876年5月，法國科學院在院刊上公布了布瓦博德蘭關于鎵的新發現。

不久，布瓦博德蘭收到了門捷列夫的來信，信中說讓他重新測定一下鎵的密度。于是，布瓦博德蘭把鎵提純之后重新進行了測量，鎵的密度實測值為5.96克/立方厘米，與門捷列夫的預測十分吻合。此事在歐洲的震動很大，初步顯示了元素周期律的鋒芒。

后來，鈧和鍺的發現喜訊相繼傳來。1879年，瑞典化學家尼爾森從鐿土中發現了鈧元素；1886年，德國化學家文克勒從硫銀鍺礦中發現了鍺元素……令人驚嘆不已的是，實測的鈧和鍺的理化性質與門捷列夫的預測十分吻合，從而把門捷列夫發現的元素周期律推向了巔峰。

鎵：液態金屬，芯片之星

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

半導體“新星”

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

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

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

氮化鎵是III-V族半導體材料中最有希望的寬禁帶光學材料，曾于20世紀90年代初成就了藍色LED的輝煌。藍色LED的推出，又迎來了白光LED照明的新紀元。硅襯底氮化鎵基LED技術路線極大地提升了我國LED技術在國際上的地位。

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強。這些優點使其在制造射頻器件和電力電子器件方面更具優勢。如今，氮化鎵材料的研究與應用已成為全球半導體研究的前沿和熱點，并成為研制微電子器件、光電子器件的第三代半導體材料。

太陽能電池

鎵的化合物半導體材料做成的太陽能電池，可以把太陽能直接轉變成電能，并且具有比較高的效率。最初太陽能電池的生產和使用成本比較高，因此常被應用在航天和軍工領域。現在，隨著科學技術水平的不斷提高，砷化鎵太陽能電池的生產和使用成本都在降低，使得太陽能電池的應用領域在不斷拓展。

隨著太陽能電池材料的不斷發展，人們對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，可以調節CIGS的禁帶能隙，這是CIGS材料優于硅系光伏材料的根本所在。同時，銅銦鎵硒材料的吸收系數很高，還具有較大范圍的太陽光譜的響應特性。因此，薄膜太陽能電池成為全球光伏領域研究的熱點之一。

其他應用

利用鎵的低熔點屬性，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裝置，如應用于自動滅火裝置，起到安全保險的作用。如鎵與鉍、鉛、錫、鎘，銦、鉈等可以生成易熔合金，熔點一般低于60℃：含25%銦的鎵銦合金的熔點為16℃，含8%錫的鎵錫合金的熔點為20℃。利用鎵與銅、鎳、錫、金等成分還可制成冷焊劑，以解決異型薄壁產品難以焊接的難題。

雖然鎵的熔點非常低，但是它的沸點非常高。利用鎵的這個特性可以制成測量高溫的溫度計，主要用于煉鋼爐、反應爐、原子反應堆的溫度測量。在原子能工業中，鎵可以用作熱傳導物質，把反應堆中的熱量傳導出來。同時，利用鎵能吸收中子的性能，可以控制中子的數目和反應速度。

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”，在國防軍工、航空航天、核物理探測、光纖通信、紅外光學、太陽能電池、化學催化劑和生物醫學等領域都有著極其廣泛的應用。

“半導體之母”

當今時代，一說到半導體，人們往往會聯想到硅芯片。其實，鍺也是一種半導體材料，并且在半導體發展史上占有舉足輕重的地位。在鍺被發現的最初的半個世紀里，人們并沒有為其找到合適的應用場景，直到第二次世界大戰爆發，軍用雷達技術的進步才為鍺的應用搭建了一個平臺。當時為了尋找適應超短波的半導體材料，促成了世界上第一個鍺晶體管的誕生。

這個諾貝爾獎級的科技創新成果，開創了電子技術的一場新革命，同時也拓展了鍺的應用范圍。20世紀50年代至60年代初，鍺一直在半導體領域處于主導地位。但從1965年開始，硅基半導體的異軍突起動搖了鍺在半導體領域的地位。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，鍺晶體管要優于硅晶體管。因此，有人稱鍺為“半導體之母”“硅基芯片的鋪路石”。

夜視之“神眼”

夜視技術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。據稱，德軍在第二次世界大戰期間率先研究開發了紅外熱像儀。

其實，夜視技術可以有多種實現方案，并且分別適用于不同的場合。上文所說的“紅外熱像儀”，屬于紅外夜視技術中的被動紅外夜視技術。它的技術原理是一切溫度高于絕對零度（-273℃）的物體都會產生紅外輻射。如果我們能夠把因目標和背景溫度差異導致的紅外輻射差異探測出來，那么就可以還原目標的圖景了。

1982年馬爾維納斯群島戰爭爆發，這是英國和阿根廷為爭奪馬爾維納斯群島的主權而爆發的一場戰爭。戰爭期間，英軍借助紅外夜視儀一舉攻占了阿軍的最大據點，并贏得了一場兵力懸殊的戰斗。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”掌握了戰爭的主動權。

1991年，海灣戰爭中的美軍同樣由于裝備了先進的紅外夜視儀而贏得了戰爭先機。可見紅外夜視儀在現代戰爭中的重要價值。

作為一種最先進的夜視技術，被動紅外夜視技術不受照度和煙霧等天氣因素的影響，在全黑或距離較遠的場合具有較好的成像效果。事實上，軍用夜視技術一直都是世界各國競相發展的領域，并且在戰爭中具有十分重要的意義。

研究紅外夜視技術，關鍵是要制造出能夠透過紅外線的光學材料。這種光學材料既要具有優良的光學性能，又要具有一定的機械強度，還要具有很好的加工性能。事實上，鍺晶體就是最好的紅外光學材料之一。

原來，鍺單晶的折射系數很高，具有對紅外線透明、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業生產，如紅外器件可用于軍事遙感、空間科學、紅外雷達、導彈制導、紅外通信、軍事跟蹤、災害報警、火車車輪測溫、醫學檢測等諸多領域。

光纖摻雜劑

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

其他應用

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，鍺烷可應用于半導體、集成電路、太陽能等行業。

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

四氟化鍺還是一種理想的光學鍍膜材料，可應用于紅外窗口、紅外濾光器、反射鏡等光學元件。同時，四氟化鍺在生物醫學和化學催化劑等領域也有應用。

鍺酸鉍是一種重要的鍺產品，在醫學CT掃描、正電子發射層析術、X射線、高能物理、油井測量等領域有著廣泛的應用。

有機鍺具有重要的生物活性和保健作用，在化妝品、醫藥和保健食品等領域具有一定的應用價值。

“小金屬”大作為，就是對鎵和鍺等稀散金屬的高度概括。未來高科技競爭日益激烈，做好鎵和鍺等戰略資源的管理和利用至關重要。充分挖掘鎵和鍺的科學價值，對于提高我國的科技實力具有重要的戰略意義。