锗在红外光学行业的应用思考

茹丘旭 马滋蔓

摘 要：红外光学行业所涉及的范围非广泛，它利用自然界任何物体都时刻在施放红外光辐射的光电效应，生产出了很多的红外光产品，比如红外夜视仪、红外摄像机等，另外在诊断疾病、军事侦查、地质勘探以及环境保护上都是红外光行业的覆盖范围。锗——红外光学行业的主要应用材料，在大部分的红外光学产品中都有应用，是红外光学行业赖以生存的金属材料。本文主要就锗在红外光学行业的应用做了分析，首先对锗进行了介绍，并阐述了锗获取方式，进而介绍了光学用锗的生产方式以及锗具有的红外光学特性，随后分析了锗的市场以及锗未来在红外光学行业中的发展趋势。

关键词：锗；红外光学行业；应用；发展趋势

中图分类号：TF84 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）22-0217-02

锗是一种稀有金属，其分布较为分散，我国目前的锗储量以及年产量都位列世界首位，我国因此成为了锗的生产大国，为我国的经济建设提供了十分有力帮助。因为我国具有充足的锗储量和产量，同时由于锗在紅外光学行业具有非常重要的作用，所以我国的锗产业得到了非常的巨大的发展。但是我国当前大部分的锗企业业仍是以提供材料为主，缺乏相关产业的开发和应用，我国针对这样的情况对政策进行了相应的调整，众多的锗企业也都加强了对锗产业开发，相信不久的将来我国的锗应用将会更进一步，实现红外光学行业的发展壮大。

1 锗的概述

锗的化学符号为Ge，原子数为32，原子量是72.64，是一种稀有的化学元素。锗在化学元素周期表中的位置为第4周期，属于IVA族元素（同属IVA族元素的还有碳C、硅Si、锡Sn、铅Pb、114号元素Uuq），他们在原子外层都有4个电子，高价都为+4价[1]。锗的颜色是灰白色，性质是类金属，质地硬、有光泽，是一种属于碳族的稀有元素。锗的化学性质和同在IVA族的硅Si以及锡Sn比较相似，都是不溶于水、盐酸的物质，但是都溶于王水、浓硝酸和硫酸，在空气中其中的性质比较稳定。

锗在自然界中的分布十分广泛，在铜矿、铁矿、煤矿甚至泥土中都有锗元素的身影，几乎很难找到非常集中的锗矿，这也是锗被人们称为稀散金属的原因，目前已经被发现的锗矿有含锗5%到7%的银锗矿、含量10%的锗石矿以及含量7%的铜铁锗矿，通常锗矿有200ppm和393ppm两种。

2 锗金属的获取方式

目前获取锗的原料有煤炭燃烧产生的含锗烟尘、冶炼有色金属产生的锗、锗矿以及回收的含锗废料等。通常使用火法、湿法或者二者结合的方法从原料中获取锗，不同的方式要根据原料而定[2]。例如火法获取锗的方式通常用到煤炭上，也就是前面提到到的获取含锗的烟尘，湿法获取锗的方式会出现在冶炼有色金属的过程中，至于含锗的废料在经过了先期的处理之后直接进入获取阶段。火法和湿法两种方式各有千秋，其中火法流程短、无腐蚀但是回收率较低，湿法的回收率高但是流程长、耗费的化工材料也很多。

3 锗单晶的生产方式

锗金属无法直接被应用，应用到红外光学行业的是由锗金属制成锗单晶，现在共有两种生产锗单晶的方法：

直拉法，第一，先用坩埚将锗锭融化；第二，将一个锗晶体固定在拉杆上做晶体种子；第三，将晶体种子垂直放入到比熔点温度稍高的熔融锗中；第四，在一定的速度下将晶体种子从熔融锗中拉出，此时熔融锗便能以净体种子的结晶方向凝固[3]。通过精确的控制晶体种子的拉出速度以及坩埚和晶体种子的转速，同时结合自动控温等技术就可以制成0.003～40Ω—CMn型电阻率、0.002～40Ω—CMp型电阻率、500～3000CM位错密度、20～300mm直径的锗单晶。

区熔匀平法，这种锗单晶的生产方式是运用石英管加热炉来生产锗单晶的，其生产的锗单晶电阻率均匀，通常这种方式生产可生产出3%上下径向密度、7%上下纵向密度、103cm位错密度、5～12cm截面的锗单晶。

4 锗的红外光学特性

随着科技的不断进步，激光以及红外技术得到了极其迅猛的发展，锗作为一种半导体材料，因其在红外光学中的卓越性能引起了红外光学行业的重视，锗作为一种红外光学材料，因为以下的特征而被广泛关注：第一，锗的红外波段教宽；第二，锗在不同波长红外线上的透过率比其他材料要高；第三，锗在不同波长红外线上的折射率和低色散表现理想；第四，锗的环境适应性较好，同时其物理性能也比较优秀；第五，锗的加工比较方便；第六锗的制造成本比较低[4]。

现在半导体材料以锗为主，另外还有硅、砷化镓（GaAs）、磷化镓（GaP）、硫化锌（ZnS）、硒化锌（ZnSe）等材料。例如红外成像设备的镜头等位置对锗的应用最多，因锗的红外线透过率良好特别是针对8～14μm这个波段的红外线可以达到95%以上的透过率，同时因为其卓越的物理性能，在红外成像设备上的作用是其他材料所不能比的。

5 锗的市场

5.1 锗的应用

锗晶片在红外光学行业的应用范围十分广泛，全球有超过2000万的部队都装备应用了锗晶片的红外成像设备，特别是美国和俄罗斯这样的军事大国，都在红外装备上投入了许多的研发资金[5]。不只是军事上的应用，在安防上锗晶片也有着非常大的市场，比如边境和机场的安检设备等都在加大对锗晶片红外设备的应用。在民用市场也有非常大的应用范围，汽车、消防、医疗等监视设备上都应用了锗晶片。

当前全世界红外光学行业应用最广泛的材料就是锗晶片，主要是应用在红外成像设备的镜头和窗口上，其中镜头以其不同的用途对锗晶片的精度要求要求不一样。比如对精度要求较高的军用红外成像设备一般有6～10片的锗晶片，民用的一般有2～3片的锗晶片。

5.2 锗的市场结构

首先是锗的用量，所有应用到红外光学行业的锗中，有90%以上全部被制作成了镜头和窗口，在今后很长一段时间，镜头和窗口仍然会是锗用量最大的两个地方。

其次是锗的生产，目前世界上几个最大锗生产国依次为美国、中国、俄羅斯，2013年的时候全球锗的总产量为155000公斤，2014年为165000公斤，世界总产量在逐年上升[6]。美国的锗储量虽然非常大，但是大多数都是铅锌的伴生矿，锗的产量被铅锌的生产所制约着，我国实际的产量和储量都在世界上排名第一位，同时我国自从2008年以来就一直保持着100吨左右的锗年产量，但是随着我国供给侧改革的深入，未来会降低锗的年产量，争取控制在每年120吨左右。

5.3 锗的市场预测

首先是锗晶片的全球市场预测，锗镜片的用途主要在军事和民用两个方面，未来的5年以内，锗晶片在全球的应用量将以每年13%左右的速度增长，在民用方面的增长速度将有15%左右，锗晶片将占领14%的市场。在军事方面的应用将保持12%左右到达增长速度。

其次是我国的市场预测，我国锗晶片用量的增长速度在未来五年内将会保持在一个较高的水平上，军用上预计将会每年超过5万套的镜头，平均每年将会有20%左右的增长率[7]。在民用方面未来五年的年增长率会达到22%左右，可见无论是世界还是我国对锗的需求量都在不断上升。

6 锗在红外光学行业中的发展趋势

6.1 需求量在不断增加

最近一些年，锗在军用和民用两方面都保持着极其迅速的发展势头，目前锗最大的市场还在军用领域，这是因为军事装备逐渐向着现代化发展，尤其是我国近年提出的科技强国、科技强军，更促使了我国军事领域对锗的需求逐渐提高。另外由于科学及技术的提高，红外成像设备的制造技术在不断的进步，同时制造成本在在降低，因此在锗在我国民用方面的需求量也在不断增长，呈现出了一副下游拉动上游增长的良好局面。

6.2 技术是核心竞争力

不仅锗晶片的用量在逐渐增长，同时用锗晶片的产品种类也不断丰富，对锗晶片形状的要求也在增多，锗晶片未来的竞争要点就是如何使晶片本身更具有柔性化和标准化，这就意味着对技术的要求将会越来越高[8]。在未来符合技术要求的前提就是要加强当前对锗晶片技术的研发力度，只有技术水平提升了，才能让产品更受市场欢迎，由此也将实现企业在市场上更强大的竞争力。

6.3 竞争性合作可以使行业健康发展

锗晶片逐年上升的需求量使得各方投资大量涌入，原本只在锗产业链上游进行开采、冶金的企业大部分都开始触及下游业务，例如开始研发锗晶片的生产或者是红外光学领域设备等，有的上游企业已经生产出了锗单晶镜头，可谓是进展十分迅速[9]。和上游企业向下游发展一样，很多的下游企业也开始着手锗的生产，但是因为技术的限制导致大部分的企业都没能在变换中取得良好的效果，因此上下游企业可以通过良好的合作，实现技术上的互通，促进双方的共同发展。

7 结语

综上所述，锗因其物理特性以及光学特性在红外光学领域得到了非常广泛的应用，锗产业也将因此有非常广阔的发展空间。无论是军用还是民用对红外光学设备的需求都在不断加强，红外光学行业的技术必将因此得到巨大的飞越，最终将带动整个锗产业的发展。针对不断扩大的锗需求量，很多企业也都同时开始在锗产业的上游和下游共同发展，这需要众多的企业加大对相关技术的开发，同时也要通过上下游的良好合作来促进大家的共同进步。

参考文献

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