Bài viết này sẽ giúp bạn hiểu rõ: Tại sao thủy tinh chalcogenide là vật liệu cốt lõi không thể thiếu cho các bộ lọc quang học hồng ngoại tầm trung đến tầm xa.

Hãy hỏi bất kỳ kỹ sư quang học hồng ngoại nào về vấn đề khó khăn nhất trong việc lựa chọn vật liệu ở dải hồng ngoại trung và xa, và rất có thể bạn sẽ nhận được cùng một câu trả lời: tìm một vật liệu vừa có độ trong suốt cao ở dải hồng ngoại trung và xa, vừa đủ bền chắc về mặt cơ học, và có khả năng chịu được môi trường hoạt động thực tế - điều này vô cùng khó khăn.

Germanium là vật liệu tốt nhưng đắt tiền và bị giới hạn băng tần. Tinh thể fluoride có dải truyền dẫn rộng, nhưng chúng cực kỳ hút ẩm và bắt đầu tan chảy ngay cả trong điều kiện hơi ẩm. Silicon hoạt động khá tốt trong vùng hồng ngoại trung bình, nhưng độ truyền dẫn của nó bắt đầu giảm đáng kể ở bước sóng trên 8μm và trở nên không phù hợp với các bước sóng hồng ngoại xa hơn.

Thủy tinh chalcogenide là một trong số ít những giải pháp mang tính hệ thống cho vấn đề lựa chọn khó khăn này.

Thủy tinh Chalcogenide là gì và tại sao nó lại vượt trội trong dải hồng ngoại trung và xa?

Thủy tinh chalcogenide là một loại vật liệu thủy tinh vô định hình chủ yếu bao gồm các nguyên tố nhóm VI—lưu huỳnh (S), selen (Se) và telua (Te). Các thành phần điển hình bao gồm As–S, As–Se, Ge–Sb–Se, Ge–As–Se–Te và nhiều công thức khác.

Lý do cơ bản cho khả năng truyền dẫn tuyệt vời của nó trong vùng hồng ngoại trung và xa nằm ở năng lượng liên kết tương đối thấp của các liên kết hóa học.

Khả năng truyền tia hồng ngoại được xác định bởi tần số cắt phonon của vật liệu — tần số dao động của các liên kết hóa học giữa các nguyên tử quyết định ngưỡng hấp thụ ánh sáng hồng ngoại. Năng lượng liên kết thấp hơn và khối lượng nguyên tử cao hơn dẫn đến tần số phonon thấp hơn, cho phép vật liệu truyền các bước sóng hồng ngoại dài hơn.

Các nguyên tố chalcogen có khối lượng nguyên tử cao. Khi chúng tạo liên kết hóa học với asen, germani và các nguyên tố khác, năng lượng liên kết thấp, và tần số cắt phonon có thể mở rộng vượt quá 10μm hoặc thậm chí dài hơn. Điều này cho phép thủy tinh chalcogenide duy trì độ truyền dẫn cao trên toàn bộ cửa sổ hồng ngoại sóng dài 8–14μm và hơn thế nữa. Ngược lại, các loại thủy tinh oxit như SiO₂ có năng lượng liên kết Si–O cao, với tần số cắt phonon khoảng 4–5μm, khiến chúng hoàn toàn mờ đục trong vùng hồng ngoại sóng dài—đó chính là lý do tại sao bạn không thể nhìn thấy bất cứ thứ gì xuyên qua thủy tinh thông thường bằng máy ảnh nhiệt.

Các công thức khác nhau của thủy tinh chalcogenide có phạm vi truyền dẫn khác nhau. Hệ thống dựa trên lưu huỳnh (ví dụ: As₂S₃) có cửa sổ truyền dẫn từ khoảng 0,6μm đến 11μm. Hệ thống dựa trên selen (ví dụ: As₂Se₃) có thể mở rộng vượt quá 15μm. Hệ thống dựa trên tellurium có phạm vi truyền dẫn rộng hơn nữa, đạt trên 20μm. Khả năng điều chỉnh này cho phép thủy tinh chalcogenide bao phủ nhiều dải ứng dụng—từ sóng trung bình đến sóng dài và thậm chí cả hồng ngoại sóng rất dài—mang lại tính linh hoạt cao hơn nhiều so với bất kỳ vật liệu tinh thể đơn nào.

So sánh với Germanium: Mỗi loại đều có ưu điểm riêng, nhưng thủy tinh chalcogenide mang lại những đặc tính độc đáo không thể thay thế.

Germanium là vật liệu được sử dụng rộng rãi nhất trong quang học hồng ngoại trung bình đến xa. Chỉ số khúc xạ của nó ở dải bước sóng 8–14μm xấp xỉ 4.0, mang lại khả năng thu sáng tuyệt vời, khiến nó trở thành lựa chọn hàng đầu cho các thấu kính chụp ảnh nhiệt.

Tuy nhiên, germani có ba hạn chế đáng chú ý:

Thứ nhất, sự biến động giá cả. Germanium là một kim loại quý hiếm với nguồn cung toàn cầu tập trung cao độ. Bị ảnh hưởng bởi các chính sách xuất khẩu và nhu cầu tiêu thụ, giá của nó có thể tăng gấp đôi hoặc giảm một nửa trong vòng vài năm, gây ra những rủi ro đáng kể cho chuỗi cung ứng.

Thứ hai, độ cứng hạn chế. Germanium có độ cứng Vickers khoảng 780HV. Trong môi trường khắc nghiệt với cát, bụi hoặc mưa, bề mặt dễ bị mài mòn và trầy xước, làm hạn chế tuổi thọ sử dụng lâu dài khi làm chất nền cho cửa sổ hoặc bộ lọc so với các vật liệu cứng hơn.

Thứ ba, phạm vi truyền dẫn có hạn. Dải truyền dẫn của Germanium trải dài khoảng 2–15μm, với độ truyền dẫn giảm đáng kể khi vượt quá 15μm.

Thủy tinh chalcogenide thể hiện các đặc tính khác nhau trên ba chiều này, nhưng ưu điểm của nó về phạm vi truyền dẫn là về mặt cấu trúc—đối với các ứng dụng yêu cầu phạm vi phủ sóng vượt quá 12μm trong vùng hồng ngoại sóng rất dài, thủy tinh chalcogenide là một trong số ít lựa chọn khả thi. Thêm vào đó, là một vật liệu vô định hình, thủy tinh chalcogenide có thể được sản xuất hàng loạt thành các cấu hình bề mặt phức tạp thông qua các quy trình đúc khuôn, với chi phí sản xuất thấp hơn so với gia công chính xác germanium, khiến nó rất phù hợp cho các ứng dụng dân dụng quy mô lớn.

Lớp phủ DLC: Khắc phục nhược điểm về độ cứng của thủy tinh chalcogenide

Thủy tinh chalcogenide có một nhược điểm cơ học đáng chú ý: độ cứng thấp, thường nằm trong khoảng 100–200HV, thấp hơn nhiều so với germanium (780HV) và silicon (1000HV). Bề mặt thủy tinh chalcogenide không được phủ lớp bảo vệ thiếu khả năng chống mài mòn cần thiết trong môi trường ngoài trời có cát và bụi, hoặc trong môi trường công nghiệp đòi hỏi vệ sinh thường xuyên—làm hạn chế tuổi thọ sử dụng trong điều kiện khắc nghiệt.

Lớp phủ DLC (Diamond-Like Carbon) là giải pháp kỹ thuật hoàn thiện nhất cho vấn đề này.

DLC là một lớp màng carbon vô định hình có độ cứng Vickers thường nằm trong khoảng từ 1500 đến 3000 HV, hệ số ma sát thấp (khoảng 0,05–0,15 trong điều kiện khô) và khả năng truyền dẫn tốt trong dải hồng ngoại trung bình đến xa. Khi được phủ lên bề mặt thủy tinh chalcogenide, nó giúp tăng cường đáng kể khả năng chống mài mòn, trầy xước và ăn mòn của chất nền, đồng thời hạn chế tác động đến khả năng truyền dẫn hồng ngoại trong phạm vi 1–2 điểm phần trăm.

Ý nghĩa của sự kết hợp này là thủy tinh chalcogenide cung cấp khả năng truyền dẫn dải rộng từ hồng ngoại trung bình đến xa, trong khi DLC cung cấp khả năng bảo vệ cơ học. Cả hai cùng tích hợp hai đặc tính hiếm khi đạt được đồng thời trong một vật liệu duy nhất — "truyền dẫn dải rộng" và "độ bền môi trường" — vào một thành phần quang học duy nhất.

MULTI IR đã tự phát triển các bộ lọc thủy tinh chalcogenide phủ DLC, với quy trình bao gồm nhiều hệ thống chất nền khác nhau như As–S, As–Se và Ge–Sb–Se. Độ bám dính và tính đồng nhất của màng DLC ​​đã được tối ưu hóa đặc biệt cho các chất nền này. Hệ số giãn nở nhiệt giữa các chất nền thủy tinh chalcogenide khác nhau và màng DLC ​​thay đổi đáng kể, ảnh hưởng trực tiếp đến độ ổn định bám dính của lớp DLC — đây là khía cạnh kỹ thuật khó khăn nhất trong việc phủ DLC lên thủy tinh chalcogenide, và là phần khó kiểm soát nhất để đảm bảo tính nhất quán trong sản xuất. Hiện nay, các sản phẩm thủy tinh chalcogenide phủ DLC của MULTI IR đang được sử dụng trong các ứng dụng bao gồm cửa sổ hồng ngoại quân sự, hình ảnh nhiệt công nghiệp và hệ thống hồng ngoại sóng dài trong ô tô.

Các tiêu chí lựa chọn chính cho bộ lọc thủy tinh chalcogenide

Quá trình lựa chọn ứng viên thường yêu cầu xác nhận ba điều:

1. Yêu cầu về dải tần hoạt động. Các công thức thủy tinh chalcogenide khác nhau có cửa sổ truyền dẫn khác nhau. Đối với các ứng dụng trong dải 8–12μm, hệ thống As–Se thường là đủ. Đối với các nhu cầu vượt quá 14μm, cần các công thức có chứa tellurium hoặc hàm lượng selen cao hơn. Nếu công thức chất nền được lựa chọn sai và độ truyền dẫn không đáp ứng các thông số kỹ thuật, thì không có quy trình phủ nào sau đó có thể bù đắp được.

2. Yêu cầu về môi trường cơ khí. Đối với các hệ thống lắp đặt cố định trong nhà, có thể sử dụng chất nền thủy tinh chalcogenide không phủ lớp, việc phủ lớp DLC sẽ làm tăng chi phí. Đối với các ứng dụng ngoài trời, trong ngành ô tô, hàng không hoặc hàng hải liên quan đến cát, bụi, mưa hoặc rung động, lớp phủ DLC là rất cần thiết. Môi trường hoạt động sẽ quyết định xem có cần phủ lớp hay không, cũng như các thông số kỹ thuật về độ dày và độ cứng của lớp DLC.

3. Sự đánh đổi giữa khả năng truyền dẫn và khả năng cản trở ánh sáng. Độ truyền quang của các bộ lọc thủy tinh chalcogenide bị ảnh hưởng bởi cả sự hấp thụ của chất nền và sự phản xạ bề mặt. Lớp phủ chống phản xạ có thể cải thiện đáng kể độ truyền quang cực đại, nhưng thiết kế của chúng phải được xem xét cùng với các đặc tính quang học của lớp DLC — chúng không thể được tối ưu hóa một cách độc lập.

Từ cửa sổ dò trong hệ thống ảnh nhiệt quân sự đến các bộ lọc phía trước trong máy phân tích khí dân dụng, phạm vi ứng dụng rộng rãi của thủy tinh chalcogenide trong lĩnh vực hồng ngoại trung bình đến xa phản ánh các đặc tính vật lý độc đáo của vật liệu này: rất ít vật liệu có thể đồng thời duy trì độ truyền dẫn cao, khả năng gia công và mức độ kiểm soát chi phí hợp lý trên toàn bộ dải bước sóng 8–14μm.

Điều này không phải vì không ai tìm kiếm các giải pháp thay thế—mà là vì vật lý phân tử đặt ra một ngưỡng cao ở đây, và thủy tinh chalcogenide tình cờ vượt qua ngưỡng đó.

Hình ảnh được tạo ra bởi AI

Đa hồng ngoại, một doanh nghiệp chuyên ngành và tinh vi cấp quốc gia thuộc nhóm "Tiểu khổng lồ", với hơn 10.000 loại linh kiện cảm biến hồng ngoại trong kho, xếp hạng trong top 3 toàn cầu về năng lực tổng hợp và là đơn vị chủ trì soạn thảo tiêu chuẩn ngành lọc hồng ngoại.

Trang web: www.mirhz.com | Trang web toàn cầu: www.miroptech.com