Un articolo da non perdere: perché il vetro calcogenuro è il materiale di base insostituibile per i filtri ottici a infrarossi medi e lontani.

Chiedete a qualsiasi ingegnere ottico specializzato in infrarossi quale sia il problema più difficile nella selezione dei materiali nella banda del medio e lontano infrarosso, e molto probabilmente otterrete la stessa risposta: trovare un materiale che sia contemporaneamente altamente trasparente nel medio e lontano infrarosso, sufficientemente robusto dal punto di vista meccanico e in grado di resistere agli ambienti operativi reali è estremamente difficile.

Il germanio è un buon materiale, ma costoso e con banda di trasmissione limitata. I cristalli di fluoruro hanno un ampio intervallo di trasmissione, ma sono estremamente igroscopici e iniziano a dissolversi anche in condizioni di umidità lieve. Il silicio offre prestazioni discrete nel medio infrarosso, ma la sua trasmittanza inizia a diminuire sensibilmente oltre gli 8 μm e diventa inadatto per lunghezze d'onda più lunghe nell'infrarosso lontano.

Il vetro calcogenuro è una delle poche soluzioni sistemiche a questo dilemma di selezione.

Che cos'è il vetro calcogenuro e perché eccelle nell'infrarosso medio-lontano?

Il vetro calcogenuro è un materiale vetroso amorfo composto principalmente da elementi del Gruppo VI: zolfo (S), selenio (Se) e tellurio (Te). Le composizioni tipiche includono As–S, As–Se, Ge–Sb–Se, Ge–As–Se–Te e varie altre formulazioni.

La ragione fondamentale della sua eccellente trasmissione nel medio e lontano infrarosso risiede nella relativamente bassa energia di legame dei suoi legami chimici.

La trasmissione infrarossa è determinata dalla frequenza di taglio dei fononi del materiale: la frequenza vibrazionale dei legami chimici tra gli atomi determina la soglia di assorbimento della luce infrarossa. Una minore energia di legame e una maggiore massa atomica si traducono in frequenze fononiche più basse, consentendo al materiale di trasmettere lunghezze d'onda infrarosse maggiori.

Gli elementi calcogeni hanno masse atomiche elevate. Quando formano legami chimici con arsenico, germanio e altri elementi, le energie di legame sono basse e la frequenza di taglio dei fononi può estendersi oltre i 10 μm o anche di più. Ciò consente al vetro calcogenuro di mantenere un'elevata trasmittanza nell'intera finestra dell'infrarosso a onda lunga da 8-14 μm e oltre. Al contrario, i vetri ossidici come il SiO₂ hanno un'elevata energia di legame Si-O, con frequenze di taglio dei fononi intorno ai 4-5 μm, il che li rende completamente opachi nell'infrarosso a onda lunga: ecco perché non è possibile vedere nulla attraverso il vetro comune con una termocamera.

Le diverse formulazioni di vetro calcogenuro presentano intervalli di trasmissione differenti. I sistemi a base di zolfo (ad esempio, As₂S₃) hanno una finestra di trasmissione da circa 0,6 μm a 11 μm. I sistemi a base di selenio (ad esempio, As₂Se₃) possono estendersi oltre i 15 μm. I sistemi a base di tellurio hanno una trasmissione ancora più ampia, raggiungendo oltre i 20 μm. Questa possibilità di regolazione consente al vetro calcogenuro di coprire molteplici bande di applicazione, dalle onde medie alle onde lunghe e persino all'infrarosso a onde lunghissime, offrendo una flessibilità di gran lunga superiore a qualsiasi materiale monocristallino.

Confronto con il germanio: ognuno ha i suoi punti di forza, ma il vetro calcogenuro offre un'insostituibilità unica

Il germanio è il materiale più utilizzato nell'ottica del medio e lontano infrarosso. Il suo indice di rifrazione a 8-14 μm è di circa 4,0, il che gli conferisce un'eccellente capacità di raccolta della luce, rendendolo la scelta principale per le lenti per la termografia.

Tuttavia, il germanio presenta tre notevoli limitazioni:

Innanzitutto, la volatilità dei prezzi. Il germanio è un metallo raro con un'offerta globale estremamente concentrata. Influenzato dalle politiche di esportazione e dalla domanda a valle, il suo prezzo può raddoppiare o dimezzarsi nel giro di pochi anni, ponendo rischi significativi per la catena di approvvigionamento.

In secondo luogo, durezza limitata. Il germanio ha una durezza Vickers di circa 780 HV. In ambienti difficili con sabbia, polvere o pioggia, la superficie è soggetta ad abrasioni e graffi, il che ne limita la durata a lungo termine come substrato per finestre o filtri rispetto a materiali più duri.

In terzo luogo, un raggio di trasmissione finito. La finestra di trasmissione del germanio si estende approssimativamente da 2 a 15 μm, con una diminuzione notevole della trasmittanza oltre i 15 μm.

Il vetro calcogenuro si comporta in modo diverso nelle tre dimensioni, ma il suo vantaggio in termini di intervallo di trasmissione è di natura strutturale: per le applicazioni che richiedono una copertura oltre i 12 μm nell'infrarosso a onde molto lunghe, il vetro calcogenuro è una delle poche opzioni pratiche. Inoltre, essendo un materiale amorfo, il vetro calcogenuro può essere prodotto in serie con profili superficiali complessi tramite processi di stampaggio, con costi di produzione inferiori rispetto alla lavorazione di precisione del germanio, il che lo rende particolarmente adatto per applicazioni civili su larga scala.

Rivestimento DLC: una soluzione al problema della scarsa durezza del vetro calcogenuro.

Il vetro calcogenuro presenta una notevole debolezza meccanica: la sua durezza è bassa, tipicamente compresa tra 100 e 200 HV, ben al di sotto di quella del germanio (780 HV) e del silicio (1000 HV). Una superficie di vetro calcogenuro non rivestita non possiede una resistenza all'abrasione sufficiente in ambienti esterni con sabbia e polvere, o in contesti industriali che richiedono pulizie frequenti, limitandone la durata in condizioni difficili.

Il rivestimento DLC (Diamond-Like Carbon) rappresenta la soluzione tecnica più matura a questo problema.

Il DLC è una pellicola di carbonio amorfo con una durezza Vickers che in genere varia da 1500 a 3000 HV, un basso coefficiente di attrito (circa 0,05-0,15 in condizioni asciutte) e una buona trasmittanza nella banda del medio e lontano infrarosso. Quando depositato su superfici di vetro calcogenuro, migliora significativamente la resistenza del substrato all'usura, ai graffi e alla corrosione, limitando al contempo l'impatto sulla trasmittanza infrarossa entro 1-2 punti percentuali.

Il significato di questa combinazione risiede nel fatto che il vetro calcogenuro offre una trasmissione a banda larga nell'infrarosso medio-lontano, mentre il DLC fornisce protezione meccanica. Insieme, integrano in un unico elemento ottico due proprietà che raramente si ottengono simultaneamente in un singolo materiale: "trasmissione a banda larga" e "resistenza ambientale".

MULTI IR ha sviluppato autonomamente filtri in vetro calcogenuro rivestiti in DLC, con processi che coprono molteplici sistemi di substrato, tra cui As-S, As-Se e Ge-Sb-Se. L'adesione e l'uniformità dei film di DLC sono state specificamente ottimizzate per questi substrati. La corrispondenza del coefficiente di dilatazione termica tra i diversi substrati in vetro calcogenuro e il film di DLC varia significativamente, influenzando direttamente la stabilità dell'adesione dello strato di DLC: questo è l'aspetto tecnicamente più impegnativo del rivestimento DLC sul vetro calcogenuro e la parte più difficile da controllare per garantire la coerenza della produzione. Attualmente, i prodotti in vetro calcogenuro rivestiti in DLC di MULTI IR sono utilizzati in applicazioni quali finestre a infrarossi per uso militare, termografia industriale e sistemi a infrarossi a onda lunga per il settore automobilistico.

Criteri chiave per la selezione dei filtri in vetro calcogenuro

La selezione a livello di applicazione richiede in genere la conferma di tre elementi:

1. Requisiti della banda operativa. Le diverse formulazioni di vetro calcogenuro presentano diverse finestre di trasmissione. Per applicazioni nella banda 8-12 μm, i sistemi As-Se sono generalmente sufficienti. Per esigenze che si estendono oltre i 14 μm, sono necessarie formulazioni contenenti tellurio o con un contenuto di selenio più elevato. Se la formulazione del substrato viene selezionata in modo errato e la trasmittanza non soddisfa le specifiche, nessun successivo processo di rivestimento può compensare.

2. Requisiti relativi all'ambiente meccanico. Per installazioni fisse in ambienti interni, è possibile utilizzare substrati in vetro calcogenuro non rivestito, con l'aggiunta del rivestimento DLC a un costo maggiore. Per applicazioni esterne, in ambito automobilistico, aeronautico o navale, che comportano la presenza di sabbia, polvere, pioggia o vibrazioni, il rivestimento DLC è essenziale. L'ambiente operativo determina se è necessario il rivestimento, nonché lo spessore e le specifiche di durezza dello strato DLC.

3. Compromesso tra trasmittanza e blocco. La trasmittanza dei filtri in vetro calcogenuro è influenzata sia dall'assorbimento del substrato che dalla riflessione superficiale. I rivestimenti antiriflesso possono migliorare significativamente la trasmittanza di picco, ma la loro progettazione deve essere considerata insieme alle caratteristiche ottiche dello strato DLC: non possono essere ottimizzati indipendentemente.

Dalle finestre dei rivelatori nei sistemi di termografia militari ai filtri frontali degli analizzatori di gas civili, l'ampio spettro di applicazioni del vetro calcogenuro nel campo del medio e lontano infrarosso riflette le proprietà fisiche uniche di questo materiale: pochissimi materiali sono in grado di mantenere simultaneamente un'elevata trasmittanza, processabilità e un ragionevole controllo dei costi nell'intera finestra spettrale 8-14 μm.

Questo non accade perché nessuno abbia cercato alternative, ma perché la fisica molecolare impone una soglia elevata, e il vetro calcogenuro la supera.

Immagini generate dall'intelligenza artificiale

MULTI-IR, un'impresa specializzata e sofisticata di livello nazionale, un "piccolo gigante", con oltre 10.000 tipi di componenti sensibili agli infrarossi in magazzino, classificandosi tra le prime 3 al mondo per forza complessiva e principale estensore dello standard industriale per i filtri a infrarossi.

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