鍺在紅外光學(xué)行業(yè)的應(yīng)用思考

茹丘旭 馬滋蔓

摘 要：紅外光學(xué)行業(yè)所涉及的范圍非廣泛，它利用自然界任何物體都時(shí)刻在施放紅外光輻射的光電效應(yīng)，生產(chǎn)出了很多的紅外光產(chǎn)品，比如紅外夜視儀、紅外攝像機(jī)等，另外在診斷疾病、軍事偵查、地質(zhì)勘探以及環(huán)境保護(hù)上都是紅外光行業(yè)的覆蓋范圍。鍺——紅外光學(xué)行業(yè)的主要應(yīng)用材料，在大部分的紅外光學(xué)產(chǎn)品中都有應(yīng)用，是紅外光學(xué)行業(yè)賴以生存的金屬材料。本文主要就鍺在紅外光學(xué)行業(yè)的應(yīng)用做了分析，首先對(duì)鍺進(jìn)行了介紹，并闡述了鍺獲取方式，進(jìn)而介紹了光學(xué)用鍺的生產(chǎn)方式以及鍺具有的紅外光學(xué)特性，隨后分析了鍺的市場(chǎng)以及鍺未來在紅外光學(xué)行業(yè)中的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：鍺；紅外光學(xué)行業(yè)；應(yīng)用；發(fā)展趨勢(shì)

中圖分類號(hào)：TF84 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）22-0217-02

鍺是一種稀有金屬，其分布較為分散，我國(guó)目前的鍺儲(chǔ)量以及年產(chǎn)量都位列世界首位，我國(guó)因此成為了鍺的生產(chǎn)大國(guó)，為我國(guó)的經(jīng)濟(jì)建設(shè)提供了十分有力幫助。因?yàn)槲覈?guó)具有充足的鍺儲(chǔ)量和產(chǎn)量，同時(shí)由于鍺在紅外光學(xué)行業(yè)具有非常重要的作用，所以我國(guó)的鍺產(chǎn)業(yè)得到了非常的巨大的發(fā)展。但是我國(guó)當(dāng)前大部分的鍺企業(yè)業(yè)仍是以提供材料為主，缺乏相關(guān)產(chǎn)業(yè)的開發(fā)和應(yīng)用，我國(guó)針對(duì)這樣的情況對(duì)政策進(jìn)行了相應(yīng)的調(diào)整，眾多的鍺企業(yè)也都加強(qiáng)了對(duì)鍺產(chǎn)業(yè)開發(fā)，相信不久的將來我國(guó)的鍺應(yīng)用將會(huì)更進(jìn)一步，實(shí)現(xiàn)紅外光學(xué)行業(yè)的發(fā)展壯大。

1 鍺的概述

鍺的化學(xué)符號(hào)為Ge，原子數(shù)為32，原子量是72.64，是一種稀有的化學(xué)元素。鍺在化學(xué)元素周期表中的位置為第4周期，屬于IVA族元素（同屬IVA族元素的還有碳C、硅Si、錫Sn、鉛Pb、114號(hào)元素Uuq），他們?cè)谠油鈱佣加?個(gè)電子，高價(jià)都為+4價(jià)[1]。鍺的顏色是灰白色，性質(zhì)是類金屬，質(zhì)地硬、有光澤，是一種屬于碳族的稀有元素。鍺的化學(xué)性質(zhì)和同在IVA族的硅Si以及錫Sn比較相似，都是不溶于水、鹽酸的物質(zhì)，但是都溶于王水、濃硝酸和硫酸，在空氣中其中的性質(zhì)比較穩(wěn)定。

鍺在自然界中的分布十分廣泛，在銅礦、鐵礦、煤礦甚至泥土中都有鍺元素的身影，幾乎很難找到非常集中的鍺礦，這也是鍺被人們稱為稀散金屬的原因，目前已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)的鍺礦有含鍺5%到7%的銀鍺礦、含量10%的鍺石礦以及含量7%的銅鐵鍺礦，通常鍺礦有200ppm和393ppm兩種。

2 鍺金屬的獲取方式

目前獲取鍺的原料有煤炭燃燒產(chǎn)生的含鍺煙塵、冶煉有色金屬產(chǎn)生的鍺、鍺礦以及回收的含鍺廢料等。通常使用火法、濕法或者二者結(jié)合的方法從原料中獲取鍺，不同的方式要根據(jù)原料而定[2]。例如火法獲取鍺的方式通常用到煤炭上，也就是前面提到到的獲取含鍺的煙塵，濕法獲取鍺的方式會(huì)出現(xiàn)在冶煉有色金屬的過程中，至于含鍺的廢料在經(jīng)過了先期的處理之后直接進(jìn)入獲取階段。火法和濕法兩種方式各有千秋，其中火法流程短、無腐蝕但是回收率較低，濕法的回收率高但是流程長(zhǎng)、耗費(fèi)的化工材料也很多。

3 鍺單晶的生產(chǎn)方式

鍺金屬無法直接被應(yīng)用，應(yīng)用到紅外光學(xué)行業(yè)的是由鍺金屬制成鍺單晶，現(xiàn)在共有兩種生產(chǎn)鍺單晶的方法：

直拉法，第一，先用坩堝將鍺錠融化；第二，將一個(gè)鍺晶體固定在拉桿上做晶體種子；第三，將晶體種子垂直放入到比熔點(diǎn)溫度稍高的熔融鍺中；第四，在一定的速度下將晶體種子從熔融鍺中拉出，此時(shí)熔融鍺便能以凈體種子的結(jié)晶方向凝固[3]。通過精確的控制晶體種子的拉出速度以及坩堝和晶體種子的轉(zhuǎn)速，同時(shí)結(jié)合自動(dòng)控溫等技術(shù)就可以制成0.003～40Ω—CMn型電阻率、0.002～40Ω—CMp型電阻率、500～3000CM位錯(cuò)密度、20～300mm直徑的鍺單晶。

區(qū)熔勻平法，這種鍺單晶的生產(chǎn)方式是運(yùn)用石英管加熱爐來生產(chǎn)鍺單晶的，其生產(chǎn)的鍺單晶電阻率均勻，通常這種方式生產(chǎn)可生產(chǎn)出3%上下徑向密度、7%上下縱向密度、103cm位錯(cuò)密度、5～12cm截面的鍺單晶。

4 鍺的紅外光學(xué)特性

隨著科技的不斷進(jìn)步，激光以及紅外技術(shù)得到了極其迅猛的發(fā)展，鍺作為一種半導(dǎo)體材料，因其在紅外光學(xué)中的卓越性能引起了紅外光學(xué)行業(yè)的重視，鍺作為一種紅外光學(xué)材料，因?yàn)橐韵碌奶卣鞫粡V泛關(guān)注：第一，鍺的紅外波段教寬；第二，鍺在不同波長(zhǎng)紅外線上的透過率比其他材料要高；第三，鍺在不同波長(zhǎng)紅外線上的折射率和低色散表現(xiàn)理想；第四，鍺的環(huán)境適應(yīng)性較好，同時(shí)其物理性能也比較優(yōu)秀；第五，鍺的加工比較方便；第六鍺的制造成本比較低[4]。

現(xiàn)在半導(dǎo)體材料以鍺為主，另外還有硅、砷化鎵（GaAs）、磷化鎵（GaP）、硫化鋅（ZnS）、硒化鋅（ZnSe）等材料。例如紅外成像設(shè)備的鏡頭等位置對(duì)鍺的應(yīng)用最多，因鍺的紅外線透過率良好特別是針對(duì)8～14μm這個(gè)波段的紅外線可以達(dá)到95%以上的透過率，同時(shí)因?yàn)槠渥吭降奈锢硇阅埽诩t外成像設(shè)備上的作用是其他材料所不能比的。

5 鍺的市場(chǎng)

5.1 鍺的應(yīng)用

鍺晶片在紅外光學(xué)行業(yè)的應(yīng)用范圍十分廣泛，全球有超過2000萬的部隊(duì)都裝備應(yīng)用了鍺晶片的紅外成像設(shè)備，特別是美國(guó)和俄羅斯這樣的軍事大國(guó)，都在紅外裝備上投入了許多的研發(fā)資金[5]。不只是軍事上的應(yīng)用，在安防上鍺晶片也有著非常大的市場(chǎng)，比如邊境和機(jī)場(chǎng)的安檢設(shè)備等都在加大對(duì)鍺晶片紅外設(shè)備的應(yīng)用。在民用市場(chǎng)也有非常大的應(yīng)用范圍，汽車、消防、醫(yī)療等監(jiān)視設(shè)備上都應(yīng)用了鍺晶片。

當(dāng)前全世界紅外光學(xué)行業(yè)應(yīng)用最廣泛的材料就是鍺晶片，主要是應(yīng)用在紅外成像設(shè)備的鏡頭和窗口上，其中鏡頭以其不同的用途對(duì)鍺晶片的精度要求要求不一樣。比如對(duì)精度要求較高的軍用紅外成像設(shè)備一般有6～10片的鍺晶片，民用的一般有2～3片的鍺晶片。

5.2 鍺的市場(chǎng)結(jié)構(gòu)

首先是鍺的用量，所有應(yīng)用到紅外光學(xué)行業(yè)的鍺中，有90%以上全部被制作成了鏡頭和窗口，在今后很長(zhǎng)一段時(shí)間，鏡頭和窗口仍然會(huì)是鍺用量最大的兩個(gè)地方。

其次是鍺的生產(chǎn)，目前世界上幾個(gè)最大鍺生產(chǎn)國(guó)依次為美國(guó)、中國(guó)、俄羅斯，2013年的時(shí)候全球鍺的總產(chǎn)量為155000公斤，2014年為165000公斤，世界總產(chǎn)量在逐年上升[6]。美國(guó)的鍺儲(chǔ)量雖然非常大，但是大多數(shù)都是鉛鋅的伴生礦，鍺的產(chǎn)量被鉛鋅的生產(chǎn)所制約著，我國(guó)實(shí)際的產(chǎn)量和儲(chǔ)量都在世界上排名第一位，同時(shí)我國(guó)自從2008年以來就一直保持著100噸左右的鍺年產(chǎn)量，但是隨著我國(guó)供給側(cè)改革的深入，未來會(huì)降低鍺的年產(chǎn)量，爭(zhēng)取控制在每年120噸左右。

5.3 鍺的市場(chǎng)預(yù)測(cè)

首先是鍺晶片的全球市場(chǎng)預(yù)測(cè)，鍺鏡片的用途主要在軍事和民用兩個(gè)方面，未來的5年以內(nèi)，鍺晶片在全球的應(yīng)用量將以每年13%左右的速度增長(zhǎng)，在民用方面的增長(zhǎng)速度將有15%左右，鍺晶片將占領(lǐng)14%的市場(chǎng)。在軍事方面的應(yīng)用將保持12%左右到達(dá)增長(zhǎng)速度。

其次是我國(guó)的市場(chǎng)預(yù)測(cè)，我國(guó)鍺晶片用量的增長(zhǎng)速度在未來五年內(nèi)將會(huì)保持在一個(gè)較高的水平上，軍用上預(yù)計(jì)將會(huì)每年超過5萬套的鏡頭，平均每年將會(huì)有20%左右的增長(zhǎng)率[7]。在民用方面未來五年的年增長(zhǎng)率會(huì)達(dá)到22%左右，可見無論是世界還是我國(guó)對(duì)鍺的需求量都在不斷上升。

6 鍺在紅外光學(xué)行業(yè)中的發(fā)展趨勢(shì)

6.1 需求量在不斷增加

最近一些年，鍺在軍用和民用兩方面都保持著極其迅速的發(fā)展勢(shì)頭，目前鍺最大的市場(chǎng)還在軍用領(lǐng)域，這是因?yàn)檐娛卵b備逐漸向著現(xiàn)代化發(fā)展，尤其是我國(guó)近年提出的科技強(qiáng)國(guó)、科技強(qiáng)軍，更促使了我國(guó)軍事領(lǐng)域?qū)︽N的需求逐漸提高。另外由于科學(xué)及技術(shù)的提高，紅外成像設(shè)備的制造技術(shù)在不斷的進(jìn)步，同時(shí)制造成本在在降低，因此在鍺在我國(guó)民用方面的需求量也在不斷增長(zhǎng)，呈現(xiàn)出了一副下游拉動(dòng)上游增長(zhǎng)的良好局面。

6.2 技術(shù)是核心競(jìng)爭(zhēng)力

不僅鍺晶片的用量在逐漸增長(zhǎng)，同時(shí)用鍺晶片的產(chǎn)品種類也不斷豐富，對(duì)鍺晶片形狀的要求也在增多，鍺晶片未來的競(jìng)爭(zhēng)要點(diǎn)就是如何使晶片本身更具有柔性化和標(biāo)準(zhǔn)化，這就意味著對(duì)技術(shù)的要求將會(huì)越來越高[8]。在未來符合技術(shù)要求的前提就是要加強(qiáng)當(dāng)前對(duì)鍺晶片技術(shù)的研發(fā)力度，只有技術(shù)水平提升了，才能讓產(chǎn)品更受市場(chǎng)歡迎，由此也將實(shí)現(xiàn)企業(yè)在市場(chǎng)上更強(qiáng)大的競(jìng)爭(zhēng)力。

6.3 競(jìng)爭(zhēng)性合作可以使行業(yè)健康發(fā)展

鍺晶片逐年上升的需求量使得各方投資大量涌入，原本只在鍺產(chǎn)業(yè)鏈上游進(jìn)行開采、冶金的企業(yè)大部分都開始觸及下游業(yè)務(wù)，例如開始研發(fā)鍺晶片的生產(chǎn)或者是紅外光學(xué)領(lǐng)域設(shè)備等，有的上游企業(yè)已經(jīng)生產(chǎn)出了鍺單晶鏡頭，可謂是進(jìn)展十分迅速[9]。和上游企業(yè)向下游發(fā)展一樣，很多的下游企業(yè)也開始著手鍺的生產(chǎn)，但是因?yàn)榧夹g(shù)的限制導(dǎo)致大部分的企業(yè)都沒能在變換中取得良好的效果，因此上下游企業(yè)可以通過良好的合作，實(shí)現(xiàn)技術(shù)上的互通，促進(jìn)雙方的共同發(fā)展。

7 結(jié)語

綜上所述，鍺因其物理特性以及光學(xué)特性在紅外光學(xué)領(lǐng)域得到了非常廣泛的應(yīng)用，鍺產(chǎn)業(yè)也將因此有非常廣闊的發(fā)展空間。無論是軍用還是民用對(duì)紅外光學(xué)設(shè)備的需求都在不斷加強(qiáng)，紅外光學(xué)行業(yè)的技術(shù)必將因此得到巨大的飛越，最終將帶動(dòng)整個(gè)鍺產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。針對(duì)不斷擴(kuò)大的鍺需求量，很多企業(yè)也都同時(shí)開始在鍺產(chǎn)業(yè)的上游和下游共同發(fā)展，這需要眾多的企業(yè)加大對(duì)相關(guān)技術(shù)的開發(fā)，同時(shí)也要通過上下游的良好合作來促進(jìn)大家的共同進(jìn)步。

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