红外透射硫族化物玻璃制造技术

本发明专利技术提供一种玻璃组合物和一种生产具有改进的红外透射性的玻璃组合物的方法。该组合物包括：铟和/或镉；锗；磷，砷，和/或锑；银；铅；以及硫，硒，和/或碲。该方法通过以下进行：使混合物熔融经过约5至约48小时的时间段，以及在约600‑1000℃的温度范围使混合物混合。

【技术实现步骤摘要】
相关文件的交叉引用本申请要求2015年6月17日提交的美国临时申请NO.62/180,904的优先权，其全部内容通过引用包含于此申请。
本申请涉及具有改进的红外透射性的玻璃组合物以及生产该玻璃组合物的方法。更具体地，本专利技术涉及具有铟和/或镉的改进的红外透射性的硫族化物玻璃。
技术介绍
硫族化物是具有至少一种硫族元素阴离子和一种更高电正性的元素的化合物。硫族元素包括周期表的第16族和氧族中的化学元素，但排除氧本身。硫族化物玻璃包含硫族元素，通常是硫化物、硒化物和碲化物。许多硫族化物玻璃是硫基的，具有砷-硫(As-S)或锗-硫(Ge-S)键。硫族化物玻璃的应用通常涉及8-14μm的波长范围。通常观察到：ppm级的氧污染引起透射性降低。据信，这种降低的透射性是由于形成玻璃的熔融加工期间形成的锗-氧(Ge-O)或砷-氧(As-O)键引起的对光的吸收。这又导致具有这种玻璃的光学特性或系统的性能下降。为了改进透射性，玻璃通常通过在存在或不存在活性化学物、例如Al、Mg、AlCl3或TeCl4的蒸馏而加工。但是，透射性的改进通常很小。而且，显著的成本增加与这种蒸馏加工所要求的复杂处理相关。替代性地，玻璃能由特别纯的原料制备，但是这将增加批量生产的成本。而且，这些原料很难能够买到并且很难以不引入氧的方式进行处理。而且，改进的红外透射性对于涉及例如热成像、光谱学以及CO2激光透射来说是很重要的。为了获得充分的透射，经常使用软的吸湿的且有毒的晶体材料。但是这些材料也受到能使用的制造方法(即拉丝和透镜成型)方面的限制。图1示出现有技术的砷-硒(As-Se)玻璃。在该现有技术的玻璃中，存在近14μm的吸收的砷-氧(As-O)键。在锗-砷-硒(Ge-As-Se)玻璃或锗-锑-硒(Ge-Sb-Se)玻璃中存在的锗(Ge)导致锗-氧(Ge-O)键和近12.5μm的吸收(即，透光率下降)。如图1所示，对这些吸收特征来说波长的差别是由于键振动的频率，键振动的频率是键强度除以原子的原子质量的函数。因此，具有更低的键能且具有氧或更大原子质量的金属将导致更低频率的振动和更长的吸收波长。因此，需要提高典型的玻璃的透射性以便用于新应用，这些新应用不适用于传统玻璃或晶体。
技术实现思路
本专利技术提供具有改进的红外透射性的硫族化物玻璃。本专利技术还提供了这种相比于商业上可获得的玻璃在8μm至15μm的长红外波长范围的玻璃中使用的硫族化物玻璃。本专利技术还提供了这种具有铟(In)、镉(Cd)或这两者的组合的硫族化物玻璃。本专利技术还提供了这种能基于硫(S)、硒(Se)或碲(Te)的硫族化物玻璃。本专利技术还提供了生产这种硫族化物玻璃的方法。附图说明图1是各种商业上可获得(现有技术)的玻璃在定波长下的透射比对比图。图2是锗-镓-硒(Ge-Ga-Se)和锗-铟-硒(Ge-In-Se)在预定波长下的透射比对比图。具体实施方式本专利技术提供了在长红外(IR)波长范围具有改进的透射性的玻璃中使用的玻璃。另外，相比于目前商业上可获得的玻璃，改进的透射性是在8μm至15μm的范围中。本专利技术的玻璃是硫族化物玻璃。因此，本专利技术的玻璃具有周期表第16族中的化学元素。虽然氧是第16族中的，但氧本身不是硫族化物。这些硫族化物玻璃还具有镉、铟或其组合，以提高透射性。本专利技术的硫族化物玻璃能是基于硫(S)、硒(Se)或碲(Te)的。对于形成硫族化物玻璃有关的元素、例如后过渡金属(d10离子)和准金属来说，负电性往往随着原子质量增大。这些元素中，只有铟和镉具有以下能力：形成结合有大原子质量和低负电性的硫族化物玻璃的主要部分(large part)。这两种元素加入硫族化物玻璃导致相比于锗-氧(Ge-O)优先形成镉-氧(Cd-O)或铟-氧(In-O)键，其具有对应于30-40μm的波长的250-300cm-1的频率。碱金属元素、碱土金属和稀土元素具有低的负电性并且能具有大的质量。但是，这些元素是离子的，具有低的溶解度，并且不用于优先结合氧(O)。将这些元素加入硫化物、硒化物和碲化物玻璃导致氧化物杂质吸收带的去除和基本的玻璃透射范围的恢复，典型地是硫化物玻璃12μm，硒化物玻璃16μm，碲化物玻璃20μm。将铟(In)、镉(Cd)或这两者添加到玻璃明显增大了玻璃的透射性。虽然不受任何理论所限，但据信，改进的透射性源自于低负电性和大原子质量的铟(In)和镉(Cd)的组合。还认为，氧(O)优先结合到玻璃的具有最低负电性的元素，即，还提供可能最大金属-氧键强度的Cd和In。在第一实施例中，硫族化物玻璃没有镉(Cd)。在该实施例中，铟(In)的量在玻璃总重的约2％至约20％之间，更优选地在约5％至约15％之间。在第二实施例中，硫族化物玻璃没有铟(In)。在该实施例中，存在的镉(Cd)的量在约0.5％至约10％之间，更优选地在约2％至约5％之间。在硫族化物玻璃具有镉(Cd)和铟(In)的第三实施例中，镉(Cd)的量在约0.5％至约10％之间，并且铟(In)的量在约5％至约10％之间。更优选地，镉(Cd)的量在约2％至约5％之间，并且铟(In)的量在约5％至约10％之间。在上述的这三个实施例中的每一个中，其余组合物为：在约10％至约30％之间的锗(Ge)；在约2％至约40％之间的磷(P)、砷(As)和/或锑(Sb)；0％至约10％的铅(Pb)；0％至约20％的银(Ag)；以及约30％至约80％的卤素、硫(S)、硒(Se)和/或碲(Te)中的一个或多个。在上述的三个实施例中的每一个中，其余成分替代性地由以下构成：至少约5％的锗(Ge)和至少约1％的磷(P)、砷(As)或锑(Sb)。这些元素防止了在玻璃形成的加工中冷却期间从熔体形成晶体。可选地，在三个实施例的每一个中，每一组合物均能具有约7％至约25％的卤素。卤素能包括但不限于氯(Cl)、溴(Br)、或碘(I)。作为另外的选择，三个实施例的每一个均能具有在约5％至约20％之间的碱金属。碱金属能包括但不限于钾(K)、铷(Rb)或铯(Cs)。除了上述的三个实施例之外，本专利技术还提供其他实施例。例如，在其他两个实施例、即第四和第五实施例中，每个实施例均具有铟(In)。通常，相比于镉(Cd)，铟(In)在玻璃组合物(以及制造这种玻璃组合物的方法)中是优选的，因为铟(In)具有更低的毒性、更高的玻璃稳定性、以及更宽的组合物阵列(铟能在其中被使用)。第四实施例是基于硫化镓(Ga2S3)、硫化镧(La2S3)的硫族化物玻璃组合物。第五实施例是基于硒化镓(GaSe)、硒化镧(LaSe)的硫族化物玻璃组合物。在这些实施例的每一个中，镓(Ga)增大了硫族化物玻璃中的离子种类、诸如碱金属元素和稀土元素的溶解度。在第四和第五实施例中，铟(In)能用镓(Ga)替代，以增大红外透射性，但存在离子溶解度的一定的降低。例如，铟(In)能替代硫基玻璃中高达50％的砷(As)、锑(Sb)或镓(Ga)。铟(In)还能替代硒基玻璃中达到100％的砷(As)、锑(Sb)或镓(Ga)。后一替代和效果在镉(Cd)的情况下不可行。第四实施例提供基于硫化镓(Ga2S3)、硫化镧(La2S3)的硫族化物玻璃组合物。在该第四实施例中，铟(In)在约0.1％至约50％之间存在，硫化镓(Ga2S3)在约20％至约8本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种硫族化物玻璃组合物，所述组合物包括组合物总重的以下重量百分比：在约2％至约20％之间的量的铟；在约10％至约30％之间的量的锗；选自由磷、砷和锑构成的组中的至少一种元素，其中所述至少一种元素的量在约2％至约40％之间；不多于约20％的量的银；不多于10％的量的铅；以及选自由硫、硒、碲构成的组中的至少一种硫族元素，其中所述至少一种硫族元素的量在约30％至约80％之间。

【技术特征摘要】
2015.06.17 US 62/180,904;2016.06.14 US 15/181,7741.一种硫族化物玻璃组合物，所述组合物包括组合物总重的以下重量百分比：在约2％至约20％之间的量的铟；在约10％至约30％之间的量的锗；选自由磷、砷和锑构成的组中的至少一种元素，其中所述至少一种元素的量在约2％至约40％之间；不多于约20％的量的银；不多于10％的量的铅；以及选自由硫、硒、碲构成的组中的至少一种硫族元素，其中所述至少一种硫族元素的量在约30％至约80％之间。2.根据权利要求1所述的硫族化物玻璃组合物，其中铟的量在约5％至约15％之间；并且/或者其还包括在约7％至约25％之间的选自包括由氯、溴、碘构成的组中的其他至少一种元素；并且/或者其中所述至少一种硫族元素的量在约50％至约80％之间。3.一种硫族化物玻璃组合物，所述组合物包括组合物总重的以下百分比：在约0.5％至约10％之间的量的镉；在约10％至约30％之间的量的锗；选自由磷、砷和锑构成的组中的至少一种元素，其中所述至少一种元素的量在约2％至约40％之间；不多于约20％的量的银；不多于约10％的量的铅；以及选自由硫、硒、碲构成的组中的至少一种硫族元素，其中所述至少一种硫族元素的量在约30％至约80％之间。4.根据权利要求3所述的硫族化物玻璃组合物，其中镉的量为约2％至约5％；并且/或者其还包括选自由氯、溴、碘构成的组中的其他至少一种元素，所述其他至少一种元素的量在约7％至约25％之间；并且/或者其中所述至少一种硫族元素的量在约50％至约80％之间。5.一种硫族化物玻璃组合物，所述组合物包括组合物总重的以下百分比：在约2％至约20...

【专利技术属性】
技术研发人员：N·卡莉，
申请(专利权)人：肖特公司，
类型：发明
国别省市：美国;US