鎵和鍺，值得被保護(hù)嗎？

差評(píng)君

現(xiàn)代雷達(dá)設(shè)備具有360度有源電子掃描陣列雷達(dá)，由氮化鎵（GaN）電路提供動(dòng)力，這種物質(zhì)可以增強(qiáng)雷達(dá)的信號(hào)，提高其靈敏度，并提高其可靠性。

砷化鎵可以用來(lái)制作“液態(tài)金屬軸承”。

氮化鎵充電器。

鎵可以改變其他金屬的化學(xué)鍵，從而可以“腐蝕”其他金屬。

鎵元素被廣泛應(yīng)用于磁共振成像技術(shù)中，鎵的特殊磁性使其能夠增強(qiáng)磁場(chǎng)，從而提高圖像的對(duì)比度。

鎵是一種罕見(jiàn)的、柔軟的銀色金屬。鎵在室溫下非常脆弱，它的熔點(diǎn)是29.76攝氏度，所以拿在手里，鎵就會(huì)融化。鎵在自然界中不存在單質(zhì)晶體，也沒(méi)有足夠豐富的鎵化合物來(lái)構(gòu)成提取源。

鎵是原子序數(shù)為31的化學(xué)元素，其符號(hào)為Ga。

鎵被應(yīng)用在LED燈的制造中。

鎵銦錫合金溫度計(jì)，液體溫度低于水的冰點(diǎn)。這種使用了合金的溫度計(jì)不僅和水銀體溫計(jì)一樣測(cè)量精確，且安全無(wú)毒。

用于集成電路和光電子器件的鎵。

2023年7月中國(guó)商務(wù)部、海關(guān)總署發(fā)布了《關(guān)于對(duì)鎵、鍺相關(guān)物項(xiàng)實(shí)施出口管制的公告》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)《公告》）。公告說(shuō)8月1日起，如鎵相關(guān)物（金屬鎵、氮化鎵等）和鍺相關(guān)物（金屬鍺、區(qū)熔鍺錠等），想要賣(mài)到海外，就必須要向中國(guó)商務(wù)部申請(qǐng)?jiān)S可證。同時(shí)申請(qǐng)的時(shí)候還得主動(dòng)報(bào)告買(mǎi)家是誰(shuí)，買(mǎi)了回去要干什么等等。這消息一出，海內(nèi)外一堆媒體都炸開(kāi)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(lái)聊聊這兩種材料都能干啥。

先說(shuō)結(jié)論，鎵和鍺本身就很值得被保護(hù)起來(lái)。2020年《資源科學(xué)》的一篇論文中就評(píng)估了15種清潔能源技術(shù)關(guān)鍵金屬和他們的供應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)，其中對(duì)鎵和鍺的評(píng)價(jià)是：生產(chǎn)集中度很高，進(jìn)而導(dǎo)致較高的地緣政治風(fēng)險(xiǎn)，并且具有伴生性，需求增加風(fēng)險(xiǎn)較高，故而整體供應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)水平較高。美國(guó)政府發(fā)布的《2022年對(duì)美國(guó)國(guó)家安全至關(guān)重要的礦物清單》中鎵和鍺都名列其中。

關(guān)鍵金屬的用途

鎵和鍺對(duì)于很多人來(lái)說(shuō)還是比較陌生的，但和硅一樣，它們都是半導(dǎo)體材料。而提到半導(dǎo)體，不少人想到的可能是芯片。但這兩個(gè)東西其實(shí)是一種包含關(guān)系，芯片是半導(dǎo)體材料做的，但半導(dǎo)體材料不只能做芯片。半導(dǎo)體是一類(lèi)材料的總稱(chēng)，這類(lèi)材料介于導(dǎo)體材料和絕緣體材料之間，能在一定條件下導(dǎo)電。半導(dǎo)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(fā)電，紅外測(cè)距或者制造LED燈。

雖然硅片是做半導(dǎo)體的主力材料，但由于這些年來(lái)各國(guó)對(duì)各種科技設(shè)備的要求越來(lái)越高，也發(fā)現(xiàn)了很多單純硅片無(wú)法適應(yīng)的活兒，比如說(shuō)每個(gè)人都有的手機(jī)，里面使用的功放芯片。隨著網(wǎng)速越來(lái)越快，純硅做的功放芯片就會(huì)出現(xiàn)禁帶寬度不夠、臨界擊穿電場(chǎng)低、熱導(dǎo)率低等技術(shù)問(wèn)題。所以此時(shí)，以砷化鎵為代表的第二代半導(dǎo)體，和以氮化鎵、碳化硅為主的第三代半導(dǎo)體就走上了舞臺(tái)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，砷化鎵、氮化鎵提高了半導(dǎo)體材料在使用中的上限。

鎵這種材料很神奇。它作為單質(zhì)的時(shí)候熔點(diǎn)很低，低到咱們用手一捏都會(huì)熔化。而鎵作為化合物的時(shí)候，又能展現(xiàn)非常好用的電氣特性，甚至一度被人們冠以“電子工業(yè)脊梁”的美名。具體鎵是如何給人們帶來(lái)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(méi)少出風(fēng)頭，因?yàn)樗哂袚舸╇妶?chǎng)高、熱導(dǎo)率高、電子飽和速率高、抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，所以它耐高溫、耐高壓、可承受高頻的工作環(huán)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(shù)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(jīng)那種又大又重的模樣。

衛(wèi)星上使用的鍺基的太陽(yáng)能電池板。

除了這些之外，鎵化合物還在紅外傳感器、發(fā)光二極管、液態(tài)金屬、醫(yī)療化工等領(lǐng)域有著不錯(cuò)的發(fā)展前景，甚至可以用來(lái)提升5G基站的性能。當(dāng)然，鎵一族的化合物也一直是軍用設(shè)備的“心頭好”，在戰(zhàn)斗機(jī)和航母上的有源相控陣?yán)走_(dá)，就需要用鎵化合物來(lái)增大發(fā)射功率并降低發(fā)熱。甚至美國(guó)都在軍事領(lǐng)域的公開(kāi)文獻(xiàn)里承認(rèn)了鎵化合物的特殊性：砷化鎵目前在國(guó)防部署中還沒(méi)有其他的替代品。

說(shuō)完鎵，再來(lái)說(shuō)說(shuō)鍺。鍺元素自身的天然豐度（元素的相對(duì)含量）和半金屬化學(xué)性質(zhì)導(dǎo)致它在歷史中很晚才被人們發(fā)現(xiàn)。與硅和鎵不同的是，鍺是半導(dǎo)體材料的初代王者，在人類(lèi)利用硅之前，它基本就是半導(dǎo)體的代名詞。理論上不計(jì)成本的話，完全可以用鍺平替現(xiàn)在的硅做出各種芯片，甚至還能功耗更低。早期被稱(chēng)作“半導(dǎo)體”的收音機(jī)用的就是鍺基晶體管，但由于成本、工藝、不耐高溫等問(wèn)題，在上世紀(jì)60年代后就被硅趕下了半導(dǎo)體王座。

但鍺的化合物有非常好的光學(xué)特性。例如在光伏領(lǐng)域中，加入了鍺化合物的太陽(yáng)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(wèi)星也都得用鍺基的太陽(yáng)能電池。而高純鍺單晶只對(duì)紅外光透明，因此可以用它做成專(zhuān)透紅外光的鍺透鏡，而哪里最需要紅外光學(xué)成像呢？答案就是夜視儀。就連我們現(xiàn)在每天都在使用的光纖，都離不開(kāi)鍺的貢獻(xiàn)。光纖通信一直被宣傳成信息時(shí)代的“高速公路”，而鍺就是高速路的“鋪路石”，因?yàn)橐枣N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(hào)的衰減。據(jù)統(tǒng)計(jì)，大概有34%的鍺都用到了光纖的制作上。

總體來(lái)說(shuō)，鎵和鍺雖然不是我們常說(shuō)的稀土元素，但它們?cè)陔娮有畔a(chǎn)業(yè)甚至國(guó)防領(lǐng)域中都有一定程度上的不可替代性，同時(shí)，中國(guó)也占了這兩種金屬產(chǎn)能的絕大頭，這也是我們可以實(shí)施管制的底氣。根據(jù)長(zhǎng)江有色金屬網(wǎng)的數(shù)據(jù)，全球探明的金屬鎵儲(chǔ)量只有27.93萬(wàn)噸，而中國(guó)擁有19萬(wàn)噸，占比在68%。從美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局的數(shù)據(jù)也可以看到，2022年中國(guó)的鎵產(chǎn)量約占全球初級(jí)低純鎵產(chǎn)量的98%，遙遙領(lǐng)先其他競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。而鍺的產(chǎn)量中國(guó)依然是世界第一，近十年來(lái)中國(guó)累計(jì)供應(yīng)了全球68.5%的鍺。鍺的儲(chǔ)量中國(guó)排世界第二，占全球儲(chǔ)量的41%。

鎵和鍺的開(kāi)采難度

相對(duì)硅來(lái)說(shuō)，鎵和鍺都是偏小眾的用料，價(jià)格也都不是很貴。但是“不貴”的前提是這些金屬都是由中國(guó)進(jìn)行生產(chǎn)的，如果換其他國(guó)家來(lái)做就完全不是一回事兒了。由于兩種金屬性質(zhì)比較活躍的原因，無(wú)論是鎵還是鍺，在自然界里都不存在單質(zhì)金屬的形態(tài)。換句話說(shuō)，也就沒(méi)有專(zhuān)門(mén)開(kāi)采鎵和鍺的礦石或礦場(chǎng)，而是和其他礦物混在一起開(kāi)采的。比如鎵，世界上基本不會(huì)有一條專(zhuān)門(mén)生產(chǎn)鎵的生產(chǎn)線，它的生產(chǎn)主要來(lái)自生產(chǎn)氧化鋁工業(yè)的副產(chǎn)物，而中國(guó)的氧化鋁產(chǎn)量占據(jù)了全球的57%，再憑借全球最完善的鎵提取技術(shù)，“順便”就把鎵給產(chǎn)了。如果沒(méi)有氧化鋁產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)，想要單獨(dú)做一條“制作”鎵的生產(chǎn)線是不現(xiàn)實(shí)的。

假如其他國(guó)家被逼急了，非要做一條鎵的生產(chǎn)線呢？那么可能會(huì)先從做一條氧化鋁的生產(chǎn)線開(kāi)始，但同時(shí)還是會(huì)面臨很多新的問(wèn)題。比如你生產(chǎn)出來(lái)的鋁賣(mài)給誰(shuí)？因?yàn)檠趸X產(chǎn)能過(guò)剩已經(jīng)是一個(gè)老問(wèn)題了，目前氧化鋁的主流消耗是拉去生產(chǎn)電解鋁，但是生產(chǎn)電解鋁的過(guò)程用電量非常龐大。比如常住人口不到400萬(wàn)的濱州，因?yàn)樯a(chǎn)電解鋁耗電的原因，在2021年濱州（1240.5億千瓦時(shí)）的用電量比2000多萬(wàn)人口的北京（1232.9億千瓦時(shí)）還要多，電費(fèi)就是一筆不小的開(kāi)支。

就鍺的生產(chǎn)而言，中國(guó)儲(chǔ)量是世界第二，而儲(chǔ)量第一的是美國(guó)。可美國(guó)的鍺雖然多，但想單獨(dú)開(kāi)采卻面臨一個(gè)很難的問(wèn)題。那就是在美國(guó)的鍺主要是和鉛鋅礦伴生，但是美國(guó)的鉛鋅行業(yè)規(guī)模很小，所以鍺的開(kāi)采量也少。而我國(guó)的鍺主要是來(lái)自褐煤礦，開(kāi)采比較方便，同時(shí)褐煤的需求量也大，鍺的產(chǎn)量也就多。所以，從2014年至2017年間，美國(guó)58%的鍺金屬都是從中國(guó)進(jìn)口。面對(duì)這兩種材料，國(guó)外硬要重新再建生產(chǎn)線靠自己生產(chǎn)，成本都會(huì)急劇上升。以前依靠從中國(guó)“買(mǎi)買(mǎi)買(mǎi)”就能生存的那些國(guó)外企業(yè)、組織，最近就免不了要走我國(guó)提出的申請(qǐng)通道并遵守中國(guó)的規(guī)則了。

這也就是為什么這次的管制會(huì)被大部分媒體解讀為是對(duì)西方封鎖咱們芯片的反制了，我們?cè)倏椿亍豆妗吩?，其?shí)管制原因已經(jīng)講清楚了：“ 為維護(hù)國(guó)家安全和利益 。”而在2023年7月5日的外交部的例行發(fā)布會(huì)上，外交部發(fā)言人毛寧也再次重申了：“ 不針對(duì)任何特定國(guó)家 ?！?/p>

對(duì)于這些被管制的原材料我們也必須要意識(shí)到是否有消化它們的能力，否則就會(huì)降低我國(guó)的自主性。這也對(duì)我們生產(chǎn)鎵和鍺等諸多化合物深加工環(huán)節(jié)的國(guó)產(chǎn)化提出了較高的要求。根據(jù)一些研報(bào)資料顯示，目前我們?cè)谀承┘夹g(shù)上也不是那么完備，某些專(zhuān)利也還掌握在國(guó)外企業(yè)手上，這也督促我國(guó)的科研機(jī)構(gòu)需要再加把勁，爭(zhēng)取早日實(shí)現(xiàn)技術(shù)國(guó)產(chǎn)化。最后還是建議大家還是放平心態(tài)，背背元素周期表，反正我今天已經(jīng)背到“鈮”了……

（責(zé)編：南名俊岳）