鍺在紅外光學行業的應用思考

茹丘旭 馬滋蔓

摘 要：紅外光學行業所涉及的范圍非廣泛，它利用自然界任何物體都時刻在施放紅外光輻射的光電效應，生產出了很多的紅外光產品，比如紅外夜視儀、紅外攝像機等，另外在診斷疾病、軍事偵查、地質勘探以及環境保護上都是紅外光行業的覆蓋范圍。鍺——紅外光學行業的主要應用材料，在大部分的紅外光學產品中都有應用，是紅外光學行業賴以生存的金屬材料。本文主要就鍺在紅外光學行業的應用做了分析，首先對鍺進行了介紹，并闡述了鍺獲取方式，進而介紹了光學用鍺的生產方式以及鍺具有的紅外光學特性，隨后分析了鍺的市場以及鍺未來在紅外光學行業中的發展趨勢。

關鍵詞：鍺；紅外光學行業；應用；發展趨勢

中圖分類號：TF84 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）22-0217-02

鍺是一種稀有金屬，其分布較為分散，我國目前的鍺儲量以及年產量都位列世界首位，我國因此成為了鍺的生產大國，為我國的經濟建設提供了十分有力幫助。因為我國具有充足的鍺儲量和產量，同時由于鍺在紅外光學行業具有非常重要的作用，所以我國的鍺產業得到了非常的巨大的發展。但是我國當前大部分的鍺企業業仍是以提供材料為主，缺乏相關產業的開發和應用，我國針對這樣的情況對政策進行了相應的調整，眾多的鍺企業也都加強了對鍺產業開發，相信不久的將來我國的鍺應用將會更進一步，實現紅外光學行業的發展壯大。

1 鍺的概述

鍺的化學符號為Ge，原子數為32，原子量是72.64，是一種稀有的化學元素。鍺在化學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號元素Uuq），他們在原子外層都有4個電子，高價都為+4價[1]。鍺的顏色是灰白色，性質是類金屬，質地硬、有光澤，是一種屬于碳族的稀有元素。鍺的化學性質和同在IVA族的硅Si以及錫Sn比較相似，都是不溶于水、鹽酸的物質，但是都溶于王水、濃硝酸和硫酸，在空氣中其中的性質比較穩定。

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，目前已經被發現的鍺礦有含鍺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生的含鍺煙塵、冶煉有色金屬產生的鍺、鍺礦以及回收的含鍺廢料等。通常使用火法、濕法或者二者結合的方法從原料中獲取鍺，不同的方式要根據原料而定[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出現在冶煉有色金屬的過程中，至于含鍺的廢料在經過了先期的處理之后直接進入獲取階段?；鸱ê蜐穹▋煞N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、耗費的化工材料也很多。

3 鍺單晶的生產方式

鍺金屬無法直接被應用，應用到紅外光學行業的是由鍺金屬制成鍺單晶，現在共有兩種生產鍺單晶的方法：

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，此時熔融鍺便能以凈體種子的結晶方向凝固[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速，同時結合自動控溫等技術就可以制成0.003～40Ω—CMn型電阻率、0.002～40Ω—CMp型電阻率、500～3000CM位錯密度、20～300mm直徑的鍺單晶。

區熔勻平法，這種鍺單晶的生產方式是運用石英管加熱爐來生產鍺單晶的，其生產的鍺單晶電阻率均勻，通常這種方式生產可生產出3%上下徑向密度、7%上下縱向密度、103cm位錯密度、5～12cm截面的鍺單晶。

4 鍺的紅外光學特性

隨著科技的不斷進步，激光以及紅外技術得到了極其迅猛的發展，鍺作為一種半導體材料，因其在紅外光學中的卓越性能引起了紅外光學行業的重視，鍺作為一種紅外光學材料，因為以下的特征而被廣泛關注：第一，鍺的紅外波段教寬；第二，鍺在不同波長紅外線上的透過率比其他材料要高；第三，鍺在不同波長紅外線上的折射率和低色散表現理想；第四，鍺的環境適應性較好，同時其物理性能也比較優秀；第五，鍺的加工比較方便；第六鍺的制造成本比較低[4]。

現在半導體材料以鍺為主，另外還有硅、砷化鎵（GaAs）、磷化鎵（GaP）、硫化鋅（ZnS）、硒化鋅（ZnSe）等材料。例如紅外成像設備的鏡頭等位置對鍺的應用最多，因鍺的紅外線透過率良好特別是針對8～14μm這個波段的紅外線可以達到95%以上的透過率，同時因為其卓越的物理性能，在紅外成像設備上的作用是其他材料所不能比的。

5 鍺的市場

5.1 鍺的應用

鍺晶片在紅外光學行業的應用范圍十分廣泛，全球有超過2000萬的部隊都裝備應用了鍺晶片的紅外成像設備，特別是美國和俄羅斯這樣的軍事大國，都在紅外裝備上投入了許多的研發資金[5]。不只是軍事上的應用，在安防上鍺晶片也有著非常大的市場，比如邊境和機場的安檢設備等都在加大對鍺晶片紅外設備的應用。在民用市場也有非常大的應用范圍，汽車、消防、醫療等監視設備上都應用了鍺晶片。

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

5.2 鍺的市場結構

首先是鍺的用量，所有應用到紅外光學行業的鍺中，有90%以上全部被制作成了鏡頭和窗口，在今后很長一段時間，鏡頭和窗口仍然會是鍺用量最大的兩個地方。

其次是鍺的生產，目前世界上幾個最大鍺生產國依次為美國、中國、俄羅斯，2013年的時候全球鍺的總產量為155000公斤，2014年為165000公斤，世界總產量在逐年上升[6]。美國的鍺儲量雖然非常大，但是大多數都是鉛鋅的伴生礦，鍺的產量被鉛鋅的生產所制約著，我國實際的產量和儲量都在世界上排名第一位，同時我國自從2008年以來就一直保持著100噸左右的鍺年產量，但是隨著我國供給側改革的深入，未來會降低鍺的年產量，爭取控制在每年120噸左右。

5.3 鍺的市場預測

首先是鍺晶片的全球市場預測，鍺鏡片的用途主要在軍事和民用兩個方面，未來的5年以內，鍺晶片在全球的應用量將以每年13%左右的速度增長，在民用方面的增長速度將有15%左右，鍺晶片將占領14%的市場。在軍事方面的應用將保持12%左右到達增長速度。

其次是我國的市場預測，我國鍺晶片用量的增長速度在未來五年內將會保持在一個較高的水平上，軍用上預計將會每年超過5萬套的鏡頭，平均每年將會有20%左右的增長率[7]。在民用方面未來五年的年增長率會達到22%左右，可見無論是世界還是我國對鍺的需求量都在不斷上升。

6 鍺在紅外光學行業中的發展趨勢

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展勢頭，目前鍺最大的市場還在軍用領域，這是因為軍事裝備逐漸向著現代化發展，尤其是我國近年提出的科技強國、科技強軍，更促使了我國軍事領域對鍺的需求逐漸提高。另外由于科學及技術的提高，紅外成像設備的制造技術在不斷的進步，同時制造成本在在降低，因此在鍺在我國民用方面的需求量也在不斷增長，呈現出了一副下游拉動上游增長的良好局面。

6.2 技術是核心競爭力

不僅鍺晶片的用量在逐漸增長，同時用鍺晶片的產品種類也不斷豐富，對鍺晶片形狀的要求也在增多，鍺晶片未來的競爭要點就是如何使晶片本身更具有柔性化和標準化，這就意味著對技術的要求將會越來越高[8]。在未來符合技術要求的前提就是要加強當前對鍺晶片技術的研發力度，只有技術水平提升了，才能讓產品更受市場歡迎，由此也將實現企業在市場上更強大的競爭力。

6.3 競爭性合作可以使行業健康發展

鍺晶片逐年上升的需求量使得各方投資大量涌入，原本只在鍺產業鏈上游進行開采、冶金的企業大部分都開始觸及下游業務，例如開始研發鍺晶片的生產或者是紅外光學領域設備等，有的上游企業已經生產出了鍺單晶鏡頭，可謂是進展十分迅速[9]。和上游企業向下游發展一樣，很多的下游企業也開始著手鍺的生產，但是因為技術的限制導致大部分的企業都沒能在變換中取得良好的效果，因此上下游企業可以通過良好的合作，實現技術上的互通，促進雙方的共同發展。

7 結語

綜上所述，鍺因其物理特性以及光學特性在紅外光學領域得到了非常廣泛的應用，鍺產業也將因此有非常廣闊的發展空間。無論是軍用還是民用對紅外光學設備的需求都在不斷加強，紅外光學行業的技術必將因此得到巨大的飛越，最終將帶動整個鍺產業的發展。針對不斷擴大的鍺需求量，很多企業也都同時開始在鍺產業的上游和下游共同發展，這需要眾多的企業加大對相關技術的開發，同時也要通過上下游的良好合作來促進大家的共同進步。

參考文獻

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