Një artikull për t'u kuptuar: Pse qelqi kalkogjenid është materiali bazë i pazëvendësueshëm për filtrat optikë infra të kuqe të mesme deri në të largët

Pyetni çdo inxhinier optik infra të kuq se cili është problemi më i vështirë i përzgjedhjes së materialit në bandën infra të kuqe të mesme deri në të largët, dhe ka shumë të ngjarë të merrni të njëjtën përgjigje: gjetja e një materiali që është njëkohësisht shumë transparent në infra të kuqe të mesme deri në të largët, mjaftueshëm i qëndrueshëm mekanikisht dhe i aftë të mbijetojë në mjediset operative të botës reale - është jashtëzakonisht e vështirë.

Germaniumi është i mirë, por i shtrenjtë dhe me bandë të kufizuar. Kristalet e fluorit kanë një gamë të gjerë transmetimi, por ato janë jashtëzakonisht higroskopike dhe fillojnë të treten edhe në kushte paksa të lagështa. Silici performon mjaft mirë në infra të kuqe të mesme, por transmetimi i tij fillon të bjerë ndjeshëm përtej 8μm dhe bëhet i papërshtatshëm për gjatësi vale më të gjata në infra të kuqe të largët.

Qelqi kalkogjenid është një nga zgjidhjet e pakta sistemike për këtë dilemë përzgjedhjeje.

Çfarë është qelqi kalkogjenid dhe pse shkëlqen në infra të kuqe të mesme deri në të largët?

Qelqi kalkogjenid është një material qelqi amorf i përbërë kryesisht nga elementë të Grupit VI - squfur (S), selen (Se) dhe telur (Te). Përbërjet tipike përfshijnë As–S, As–Se, Ge–Sb–Se, Ge–As–Se–Te dhe formulime të tjera të ndryshme.

Arsyeja themelore për transmetimin e tij të shkëlqyer në infra të kuqe të mesme deri në të largët qëndron në energjinë relativisht të ulët të lidhjeve të tij kimike.

Transmetimi infra të kuq përcaktohet nga frekuenca e ndërprerjes së fononit të materialit - frekuenca vibruese e lidhjeve kimike midis atomeve përcakton kufirin e absorbimit për dritën infra të kuqe. Energjia më e ulët e lidhjes dhe masa atomike më e lartë rezultojnë në frekuenca më të ulëta të fononit, duke i lejuar materialit të transmetojë gjatësi vale më të gjata infra të kuqe.

Elementet kalkogjene kanë masa të larta atomike. Kur ato formojnë lidhje kimike me arsenik, germanium dhe elementë të tjerë, energjitë e lidhjeve janë të ulëta dhe frekuenca e ndërprerjes së fononit mund të shtrihet përtej 10μm ose edhe më gjatë. Kjo i mundëson qelqit kalkogjenid të ruajë transmetim të lartë në të gjithë dritaren infra të kuqe me valë të gjatë 8–14μm dhe më gjerë. Në të kundërt, xhamat e oksidit si SiO₂ kanë energji të lartë të lidhjes Si–O, me frekuenca ndërprerjeje të fononit rreth 4–5μm, duke i bërë ato plotësisht të errëta në infra të kuqe me valë të gjatë - kjo është pikërisht arsyeja pse nuk mund të shihni asgjë përmes qelqit të zakonshëm me një imazh termik.

Formulime të ndryshme të qelqit kalkogjenid kanë diapazon të ndryshëm transmetimi. Sistemet me bazë squfuri (p.sh., As₂S₃) kanë një dritare transmetimi nga afërsisht 0.6μm deri në 11μm. Sistemet me bazë seleniumi (p.sh., As₂Se₃) mund të shtrihen përtej 15μm. Sistemet me bazë teluriumi kanë transmetim edhe më të gjerë, duke arritur mbi 20μm. Kjo akordueshmëri lejon që qelqi kalkogjenid të mbulojë banda të shumëfishta aplikimi - nga valët e mesme deri në valët e gjata dhe madje edhe infra të kuqe me valë shumë të gjata - duke ofruar fleksibilitet shumë më të madh se çdo material i vetëm kristalor.

Krahasimi me germaniumin: Secili ka pikat e veta të forta, por qelqi kalkogjenid ofron një pazëvendësueshmëri unike.

Germaniumi është materiali më i përdorur gjerësisht në optikën e infra të kuqes së mesme deri në të largët. Indeksi i tij i thyerjes në 8–14μm është afërsisht 4.0, duke siguruar aftësi të shkëlqyera për mbledhjen e dritës, duke e bërë atë zgjedhjen kryesore për lentet e imazhit termik.

Megjithatë, germaniumi ka tre kufizime të dukshme:

Së pari, paqëndrueshmëria e çmimeve. Germaniumi është një metal i rrallë me furnizim global shumë të përqendruar. I ndikuar nga politikat e eksportit dhe kërkesa në rrjedhën e poshtme, çmimi i tij mund të dyfishohet ose të përgjysmohet brenda pak vitesh, duke paraqitur rreziqe të konsiderueshme për zinxhirin e furnizimit.

Së dyti, ngurtësi e kufizuar. Germaniumi ka një fortësi Vickers prej afërsisht 780HV. Në mjedise të ashpra me rërë, pluhur ose shi, sipërfaqja është e ndjeshme ndaj gërryerjes dhe gërvishtjeve, duke kufizuar jetëgjatësinë e saj të shërbimit si një dritare ose substrat filtri krahasuar me materialet më të forta.

Së treti, një diapazon transmetimi i kufizuar. Dritarja e transmetimit të germaniumit përfshin afërsisht 2-15μm, me transmetim që bie ndjeshëm përtej 15μm.

Qelqi kalkogjenid performon ndryshe në këto tre dimensione, por avantazhi i tij në diapazonin e transmetimit është strukturor - për aplikimet që kërkojnë mbulim përtej 12μm në infra të kuqe me valë shumë të gjata, qelqi kalkogjenid është një nga zgjedhjet e pakta praktike. Përveç kësaj, si një material amorf, qelqi kalkogjenid mund të prodhohet në masë në profile sipërfaqësore komplekse përmes proceseve të derdhjes, me kosto prodhimi më të ulëta se përpunimi preciz i germaniumit, duke e bërë atë të përshtatshëm për aplikime civile në shkallë të gjerë.

Veshje DLC: Adresimi i mangësisë së fortësisë së qelqit kalkogjenid

Qelqi kalkogjenid ka një dobësi të dukshme mekanike: fortësia e tij është e ulët, zakonisht në rangun 100-200HV, shumë më poshtë se ajo e germaniumit (780HV) dhe silicit (1000HV). Një sipërfaqe qelqi kalkogjenid e pa veshur nuk ka rezistencë të mjaftueshme ndaj gërryerjes në mjedise të jashtme me rërë dhe pluhur, ose në mjedise industriale që kërkojnë pastrim të shpeshtë, duke kufizuar kështu jetëgjatësinë e tij të shërbimit në kushte të vështira.

Veshje DLC (karbon i ngjashëm me diamantin) është zgjidhja teknike më e pjekur për këtë problem.

DLC është një film karboni amorf me një fortësi Vickers që zakonisht varion nga 1500 në 3000HV, një koeficient të ulët fërkimi (afërsisht 0.05–0.15 në kushte të thata) dhe transmetim të mirë në brezin infra të kuq të mesëm deri në të largët. Kur depozitohet në sipërfaqet e qelqit kalkogjenid, ai rrit ndjeshëm rezistencën e substratit ndaj konsumimit, gërvishtjeve dhe korrozionit, ndërsa kufizon ndikimin në transmetimin infra të kuq brenda 1–2 pikëve përqindjeje.

Rëndësia e këtij kombinimi është se qelqi kalkogjenid siguron transmetim me brez të gjerë nga infra të kuqe të mesme deri në të largët, ndërsa DLC siguron mbrojtje mekanike. Së bashku, ato integrojnë dy veti që rrallë arrihen njëkohësisht në një material të vetëm - "transmetim me brez të gjerë" dhe "qëndrueshmëri mjedisore" - në një element të vetëm optik.

MULTI IR ka zhvilluar në mënyrë të pavarur filtra qelqi kalkogjenid të veshur me DLC, me procese që mbulojnë sisteme të shumëfishta substrati, duke përfshirë As–S, As–Se dhe Ge–Sb–Se. Ngjitja dhe uniformiteti i filmave DLC janë optimizuar posaçërisht për këto substrate. Përputhja e koeficientit të zgjerimit termik midis substrateve të ndryshme të qelqit kalkogjenid dhe filmit DLC ndryshon ndjeshëm, duke ndikuar drejtpërdrejt në stabilitetin e ngjitjes së shtresës DLC - ky është aspekti më sfidues teknikisht i veshjes DLC në qelqin kalkogjenid dhe pjesa më e vështirë për t'u kontrolluar për qëndrueshmërinë e prodhimit. Aktualisht, produktet e qelqit kalkogjenid të veshur me DLC të MULTI IR po dërgohen në aplikime duke përfshirë dritaret infra të kuqe ushtarake, imazhe termike industriale dhe sisteme infra të kuqe me valë të gjata automobilistike.

Kriteret kryesore të përzgjedhjes për filtrat e qelqit të kalkogjenidit

Përzgjedhja në nivel aplikacioni zakonisht kërkon konfirmimin e tre gjërave:

1. Kërkesat e brezit operativ. Formulime të ndryshme të qelqit kalkogjenid kanë dritare të ndryshme transmetimi. Për aplikimet në brezin 8–12μm, sistemet As–Se janë përgjithësisht të mjaftueshme. Për nevojat që shtrihen përtej 14μm, kërkohen formulime që përmbajnë telur ose me përmbajtje më të lartë seleniumi. Nëse formulimi i substratit është zgjedhur gabim dhe transmetimi nuk arrin të përmbushë specifikimet, asnjë proces i mëvonshëm veshjeje nuk mund ta kompensojë.

2. Kërkesat e mjedisit mekanik. Për instalime të fiksuara në ambiente të mbyllura, mund të përdoren substrate qelqi kalkogjenid të pa veshura, me veshje DLC që shton koston. Për aplikime të jashtme, automobilistike, ajrore ose detare që përfshijnë rërë, pluhur, shi ose dridhje, veshja DLC është thelbësore. Mjedisi i funksionimit përcakton nëse kërkohet veshje, si dhe specifikimet e trashësisë dhe fortësisë së shtresës DLC.

3. Kompromis midis transmetimit dhe bllokimit. Transmetueshmëria e filtrave të qelqit kalkogjenid ndikohet si nga thithja e substratit ashtu edhe nga reflektimi sipërfaqësor. Veshjet anti-reflektuese mund të përmirësojnë ndjeshëm transmetimin maksimal, por dizajni i tyre duhet të merret në konsideratë së bashku me karakteristikat optike të shtresës DLC - ato nuk mund të optimizohen në mënyrë të pavarur.

Nga dritaret e detektorëve në sistemet ushtarake të imazherisë termike deri te pjesët e përparme të filtrimit në analizuesit civilë të gazit, shtrirja e gjerë e aplikimit të qelqit kalkogjenid në fushën infra të kuqe të mesme deri në të largët pasqyron vetitë fizike unike të këtij materiali: shumë pak materiale mund të ruajnë njëkohësisht transmetim të lartë, përpunueshmëri dhe një shkallë të arsyeshme kontrolli të kostos në të gjithë dritaren 8-14μm.

Kjo nuk ndodh sepse askush nuk ka kërkuar alternativa - por sepse fizika molekulare vendos një prag të lartë këtu, dhe qelqi kalkogjenid rastësisht e kalon atë.

Imazhe të gjeneruara nga IA

MULTI-IR, një Ndërmarrje e Specializuar dhe e Sofistikuar në nivel Kombëtar "Gjigandi i Vogël", me mbi 10,000 lloje komponentësh të ndjeshëm ndaj rrezeve infra të kuqe në stok, duke u renditur ndër 3 më të mirët në nivel global për nga fuqia gjithëpërfshirëse, dhe hartuesi kryesor i standardit të industrisë së filtrave infra të kuqe.

Uebfaqe: www.mirhz.com | Faqe Globale: www.miroptech.com