Germani: transistor đầu tiên không làm bằng silic

Mendeleev đoán đúng germani trước Winkler 15 năm

Năm 1871, Mendeleev để trống một ô ngay dưới silic và mô tả nguyên tố sẽ điền vào đó. Ông đoán nguyên tố này màu xám, khối lượng nguyên tử khoảng 72,64, oxit khó nóng chảy với khối lượng riêng khoảng 4,7 g/cm³. Clorua của germani thì sôi dưới 100 °C, khối lượng riêng khoảng 1,9 g/cm³.

Năm 1886, nhà hoá học Đức Clemens Winkler tách được một nguyên tố mới từ khoáng argyrodit lấy ở vùng mỏ Freiberg. Khi ông công bố phép đo năm 1887, cả 9 chỉ tiêu Mendeleev nêu đều khớp. Khối lượng nguyên tử ra 72,63, clorua sôi ở 86 °C, khối lượng riêng oxit khoảng 4,7 g/cm³. Trong 3 lần Mendeleev mô tả trước một ô trống, đây là lần khớp rõ nhất, rõ hơn cả scandi lẫn gali.

Winkler suýt đặt cho nguyên tố ấy một tên khác. Ông định gọi là neptunium, theo Hải Vương Tinh, hành tinh cũng từng được tính ra trên giấy trước khi ai nhìn thấy. Nhưng tên đó đã bị một người khác dùng từ năm 1877, cho một nguyên tố sau này biết là không tồn tại. Winkler vì thế đổi sang đặt theo tên Latin của nước Đức. Chữ neptunium phải đợi tới năm 1940 mới có chủ thật.

Transistor đầu tiên, làm bằng germani

Cuối năm 1947, tại Bell Labs, John Bardeen và Walter Brattain áp hai đầu tiếp xúc bằng vàng lên một khối tinh thể germani. Tín hiệu ra mạnh hơn tín hiệu vào. Chiều 23 tháng 12 năm 1947, Brattain cùng đồng nghiệp H. R. Moore đem thiết bị ra trình diễn trước cả nhóm như một bộ khuếch đại tiếng nói.

Đó là transistor đầu tiên. Linh kiện này vừa khuếch đại vừa đóng ngắt được dòng điện, và sau này thành viên gạch của mọi con chip.

Trưởng nhóm của họ, William Shockley, năm 1948 nghĩ ra một kiểu transistor khác, gọi là transistor tiếp giáp. Cả ba nhận giải Nobel Vật lý năm 1956.

Vì sao silic thay chỗ germani

Bell Labs chọn germani vì đã quen tinh chế germani từ thời làm radar trong chiến tranh. Silic hồi đó chạy kém, do bề mặt silic có nhiều lỗi giữ điện tích lại, không cho vào sâu bên trong. Từ năm 1950 tới đầu thập niên 1970, germani thống trị thị trường transistor.

Nhưng germani có hai nhược điểm nặng, là khó tinh chế và chỉ chạy tốt trong một khoảng nhiệt độ hẹp. Năm 1955, hai người cũng ở Bell Labs tình cờ phát hiện một lớp oxit mọc tự nhiên trên mặt silic. Lớp oxit ấy vừa cách điện, vừa chặn tạp chất, vừa bền về hoá học. Nhược điểm của silic thế là hết, còn hai nhược điểm của germani thì không ai sửa được. Cả ngành chuyển dần sang silic.

Germani giữ ánh sáng trong sợi quang thế nào

Sợi quang hoạt động được là nhờ lõi sợi bẻ cong ánh sáng mạnh hơn lớp vỏ bọc bên ngoài. Tia sáng đi tới mặt tiếp giáp thì bật ngược trở vào thay vì thoát ra. Muốn vậy phải pha một chất vào lõi, và chất đó là germani đioxit.

Năm 1970, nhóm nghiên cứu ở hãng Corning lần đầu kéo được sợi thuỷ tinh chỉ hao 20 decibel ánh sáng trên mỗi km. Đó là mức hao tối đa để sợi quang còn dùng được cho viễn thông. Pha titan đioxit hạ xuống 17, rồi họ đổi sang germani đioxit và con số tụt còn 4.

Germani đioxit thay hẳn titan từ đó, vì còn bỏ được một bước xử lý nhiệt vốn làm sợi dễ gãy. Sợi quang giờ là chỗ tiêu thụ germani lớn nhất.

Vì sao thấu kính camera nhiệt làm bằng germani

Germani chặn hết ánh sáng nhìn thấy, nhưng lại để tia hồng ngoại đi qua gần như không cản. Nhờ tính chất ngược đời ấy, thấu kính của camera nhiệt làm bằng germani.

Tia hồng ngoại ấy thì mọi vật ấm đều tự phát ra, nên camera nhiệt không cần chiếu sáng gì cả. Lính cứu hoả cầm camera nhiệt tìm người trong khói dày, quân đội thì dùng làm ống ngắm đêm. Camera đo thân nhiệt đặt ở sân bay và cổng công ty thời COVID cũng đọc chính tia hồng ngoại ấy.

Nhưng germani bẻ cong ánh sáng rất mạnh (chiết suất 4,0, so với 1,5 của thuỷ tinh thường). Bề mặt germani vì thế phản xạ mất quá nhiều ánh sáng. Thấu kính germani luôn phải phủ thêm một lớp chống phản xạ mới dùng được.

Germani lấy từ đâu ra?

Germani xếp thứ 50 về độ phổ biến trong vỏ Trái Đất, với nồng độ trung bình chỉ khoảng 1,5–1,6 phần triệu. Germani đi ra từ hai chỗ ít ai nghĩ tới: lò luyện kẽm và tro than.

Quặng kẽm có thể chứa tới 0,3% germani, nên nhà máy luyện kẽm thu hồi germani ngay trong dây chuyền. Một phần nữa lấy từ tro than của vài mỏ than đặc biệt giàu germani ở Nga và Trung Quốc. Trung Quốc là nước sản xuất lớn nhất.

Từ tháng 8 năm 2023 Trung Quốc siết giấy phép xuất khẩu germani, tới tháng 12 năm 2024 thì cấm hẳn xuất sang Mỹ, đúng hai mốc mà gali cũng bị siết. Tám tháng đầu năm 2024, lượng germani kim loại Trung Quốc xuất đi giảm 55% so với cùng kỳ năm trước.

Germani hữu cơ bán làm thực phẩm chức năng có an toàn không?

Germani kim loại cầm nắm bình thường thì không cần phòng hộ gì đặc biệt. Nhưng germani hữu cơ lại được bán như thực phẩm chức năng, kèm lời quảng cáo chữa được bệnh bạch cầu và ung thư phổi. Loại này rao trên mạng ở Việt Nam cũng có.

Hiệp hội Ung thư Hoa Kỳ nói thẳng rằng không có bằng chứng y khoa nào cho thấy các sản phẩm này có lợi. Ngược lại, có bằng chứng cho thấy chúng gây hại.

Năm 1997, cơ quan quản lý dược phẩm Mỹ đánh giá nguy cơ của germani vô cơ dùng làm thực phẩm bổ sung. Kết luận là mối nguy cho sức khoẻ.

Những ca ngộ độc nặng nhất từng ghi nhận đến từ các hợp chất germani vô cơ hoà tan dùng thời kỳ đầu. Người dùng lâu dài bị suy thận, gan nhiễm mỡ và tổn thương dây thần kinh ở tay chân, một số đã chết. Một dạng germani hữu cơ mới hơn chưa thấy gây độc tương tự, nhưng cũng chưa có bằng chứng nào cho thấy dạng ấy an toàn hay chữa được bệnh.

5 điều cần nhớ về germani

1. 1 Mendeleev mô tả germani năm 1871, và khi Winkler đo thật năm 1887 thì cả 9 chỉ tiêu đều khớp.
2. 2 Transistor đầu tiên, trình diễn ngày 23 tháng 12 năm 1947, làm bằng germani chứ không phải silic.
3. 3 Silic thắng vì lớp oxit mọc tự nhiên trên bề mặt silic vừa cách điện vừa chặn tạp chất.
4. 4 Germani đioxit pha vào lõi sợi quang giữ cho ánh sáng không thoát ra khỏi sợi.
5. 5 Germani đục với ánh sáng thường nhưng trong suốt với hồng ngoại, nên thấu kính camera nhiệt làm bằng germani.

Khối lượng nguyên tử theo CIAAW/IUPAC 2021; các giá trị còn lại từ PubChem (NCBI/NIH). Bảng đối chiếu giữa dự đoán của Mendeleev và phép đo của Winkler, chuyện cái tên neptunium, các mốc transistor ở Bell Labs, lớp oxit thụ động hoá bề mặt silic, và lịch sử pha germani đioxit vào sợi quang theo các trang tổng hợp dẫn nguồn gốc. Độ phổ biến trong vỏ Trái Đất, hàm lượng trong quặng kẽm, hai mốc siết xuất khẩu và mức giảm xuất khẩu theo USGS, Mineral Commodity Summaries 2025. Cảnh báo về germani hữu cơ theo Hiệp hội Ung thư Hoa Kỳ và một đánh giá nguy cơ năm 1997 của cơ quan quản lý dược phẩm Mỹ. Các nguồn cho những con số rất khác nhau về tỉ lệ germani dùng cho sợi quang, nên bài không nêu con số nào. Đối chiếu lại lần cuối 12/09/2026.