Германиевые окна (Ge)
Введение:
Нашей темой являются германиевые окна, но для начала давайте рассмотрим материал германий в целом. Монокристаллический германий, то есть германий без крупных зерен и твиннинга, с алмазной структурой, — это универсальный материал с широкими возможностями и высоким потенциалом развития в таких областях, как микроэлектроника, волоконная связь, авиация, солнечные элементы, инфракрасная оптика и др. Последние данные показывают, что в будущем наибольший рост спроса на германий придётся на инфракрасную оптику благодаря стремительному увеличению потребностей как в оборонном, так и в гражданском секторах.
Свойства монокристаллического германия:
Диапазон пропускания: 1,8–23 мкм (1)
Показатель преломления: 4,0026 при 11 мкм (1)(2)
Потери на отражение: 53 % при 11 мкм (две поверхности)
Коэффициент поглощения: <0,027 см⁻¹ @ 10,6 мкм (типич.)
0,006 см⁻¹ @ 5,6 мкм (типич.)
<0,005 см⁻¹ @ 2,7 мкм
Пик рестштралена: н/д
dn/dT: 396 × 10⁻⁶ /°C (2)(6)
dn/dμ = 0: Практически постоянно
Плотность: 5,33 г/см³
Температура плавления: 936 °C (3)
Теплопроводность: 58,61 Вт·м⁻¹·К⁻¹ при 293 К (6)
Коэффициент теплового расширения: 6,1 × 10⁻⁶ /°C при 298 К (3)(4)(6)
Твердость: Knoop 780
Удельная теплоёмкость: 310 Дж·кг⁻¹·К⁻¹ (3)
Диэлектрическая проницаемость: 16,6 при 9,37 ГГц, 300 К
Модуль Юнга (E): 102,7 ГПа (4)(5)
Модуль сдвига (G): 67 ГПа (4)(5)
Объёмный модуль (K): 77,2 ГПа (4)
Коэффициенты упругости: C11=129; C12=48,3; C44=67,1 (5)
Предельная прочность (условный предел): 89,6 МПа (13000 psi)
Коэффициент Пуассона: 0,28 (4)(5)
Растворимость: Не растворяется в воде
Молекулярная масса: 72,59
Класс/структура: Кубический алмаз, Fd3m
Применение германия в инфракрасной оптике:
В качестве инфракрасного оптического материала германий обладает высоким показателем преломления, широким диапазоном пропускания (германий непрозрачен в видимом диапазоне, что позволяет блокировать нежелательное видимое излучение), низким коэффициентом поглощения, низкой дисперсией, высокой химической инертностью (устойчив к большинству кислот и щелочей) и др. Его твёрдость по шкале Мооса составляет 6,0–6,5, что облегчает мехобработку. Эти свойства делают германий отличным материалом для изготовления окон, линз, призм и фильтров инфракрасных тепловизоров, инфракрасных радаров и других ИК-устройств; высокочистый германий или германий-литий применяются в астрономических гамма-спектрометрах, ядерных реакционных спектрометрах и рентгеновских приборах для физики плазмы; Si–Ge10 и монокристаллический германий, легированный Hg, Cd, Cu или Ga, используются в инфракрасных детекторах.
Диапазон инфракрасного пропускания германия составляет 2000–15000 нм, охватывая ближнюю и дальнюю ИК-области. Благодаря высокой химической стойкости ИК-окна из германия показывают отличную надёжность и защиту инфракрасных систем в суровых условиях.
Высокий показатель преломления германия делает его предпочтительным для ИК-линз: с его помощью можно получить короткие фокусные расстояния и высокую собирающую способность при меньшем числе линз, что упрощает и миниатюризирует оптические схемы. Благодаря высокой дисперсии германий также подходит для изготовления ИК-призм.
Германат висмута (BGO) используется в сцинтилляционных детекторах излучения. Стекла на основе GeO₂ обладают высоким показателем преломления и дисперсией, применяются в широкоугольных объективах и микроскопах; стекла типа GeO₂–TiO₂–P₂O₅ демонстрируют выдающиеся ИК-свойства и используются для защиты сверхчувствительных ИК-детекторов в космических приложениях.
Изготовление монокристаллического германия ИК-класса
Существует два метода получения монокристаллического германия: метод Чохральского и зонная плавка:
① Метод Чохральского: a) расплавить германиевый слиток в тигле; b) опустить в расплав затравочный кристалл на штанге, температура расплава немного выше точки плавления, и вытягивать кристалл со скоростью, обеспечивающей кристаллизацию по направлению затравки. Контролируя скорость вытягивания, вращение штанги и температуру печи, получают n-тип германия с удельным сопротивлением 0,003–40 Ом·см и p-тип с 0,002–40 Ом·см, плотностью дислокаций 500–3000 см⁻² и диаметром 20–300 мм.
② Метод зонной плавки: используют горизонтальную кварцевую трубчатую печь, позволяющую получать кристаллы с равномерным удельным сопротивлением (±3 % по радиусу, ±7 % вдоль), плотностью дислокаций ~10³ см⁻² и сечением 5–12 см².
Германиевые окна:
Оптические окна — это прозрачные компоненты, защищающие критические элементы оптики от внешних факторов (пыль, влага, загрязнения) при минимальных потерях света, искажениях и рассеянии.
Область применения оптических окон охватывает промышленность, авиацию, тепловизионные системы, плазменные камеры, датчики, лазеры и др. Окна обеспечивают стабильный оптический интерфейс и точную передачу света.
Германиевые окна обладают отличным ИК-пропусканием (2000–15000 нм) и полной непрозрачностью в видимом диапазоне, что исключает нежелательную засветку. Благодаря химической инертности и возможности нанесения DLC-покрытия (алмазоподобный углерод) они надёжно защищают ИК-системы в экстремальных условиях. Однако плотность германия велика, что важно учитывать при проектировании, а для минимизации отражений требуются AR-покрытия.
Следует также отметить токсичность германия: при его обработке используйте перчатки и мойте руки после работы.
Hangzhou Shalom EO — профессиональный поставщик инфракрасной оптики, включая германиевые окна. В наличии 23 арт. до Ø 101,6 мм, а под заказ возможны изделия до Ø 300 мм. Варианты покрытий: DLC, AR (3–5 мкм, 8–12 мкм) и BBAR (3–12 мкм).
 Windows for Thermal Imaging.jpg)
Tags: Германиевые окна (Ge)