一、鍺靶材的定義及特點(diǎn)
鍺靶材，顧名思義，就是由鍺元素制成的靶材。鍺（Ge）是周期表中的一種元素，原子序數(shù)為32，屬于IVA族元素，常態(tài)下是一種銀白色的金屬元素。鍺的最大特點(diǎn)是其半導(dǎo)體性質(zhì)，當(dāng)溫度升高時(shí)，其電阻會(huì)顯著降低，這一特性使得鍺在電子工業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。
鍺靶材是在物理蒸發(fā)（PVD）、化學(xué)氣相沉積（CVD）等薄膜沉積技術(shù)中，作為鍺源使用的材料。其質(zhì)地堅(jiān)硬，熔點(diǎn)高（938.25℃），具有良好的熱導(dǎo)性和電導(dǎo)性。在薄膜沉積過(guò)程中，鍺靶材被加熱到高溫，使其蒸發(fā)或者濺射，從而在基底上沉積形成鍺薄膜。
鍺靶材具有以下主要特點(diǎn)：
- 高密度：鍺靶材具有高的密度，這一特性使得它在薄膜沉積過(guò)程中可以提供大量的鍺原子，從而提高薄膜的質(zhì)量和性能。
- 優(yōu)良的熱傳導(dǎo)性：鍺靶材具有優(yōu)良的熱傳導(dǎo)性，這一特性使得它在被加熱時(shí)能夠快速均勻地傳遞熱量，從而提高薄膜沉積的效率。
- 高熔點(diǎn)：鍺的熔點(diǎn)高（938.25℃），這使得它在薄膜沉積過(guò)程中能夠承受高溫，保持穩(wěn)定的物理和化學(xué)性質(zhì)。
- 良好的電導(dǎo)性：作為一種半導(dǎo)體材料，鍺具有良好的電導(dǎo)性，這一特性使得由鍺靶材沉積形成的鍺薄膜具有優(yōu)良的電性能。
- 抗氧化能力強(qiáng)：鍺靶材具有較強(qiáng)的抗氧化能力，這意味著它能夠在高溫和氧氣的環(huán)境下保持穩(wěn)定，不易被氧化。
- 半導(dǎo)體特性：鍺是一種四價(jià)元素，其半導(dǎo)體特性使得它在電子工業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。
二、鍺靶材的制備方法
- 冶金法：冶金法是一種常用的制備鍺靶材的方法，主要包括熔煉、精煉、連鑄、軋制等步驟。在熔煉過(guò)程中，鍺礦石被熔化在高溫的爐內(nèi)；在精煉過(guò)程中，通過(guò)添加各種助熔劑，去除雜質(zhì)和不純物；在連鑄過(guò)程中，精煉后的鍺液被澆鑄成鍺坯；在軋制過(guò)程中，鍺坯被軋制成鍺靶材。冶金法的優(yōu)點(diǎn)是可以大規(guī)模生產(chǎn)鍺靶材，缺點(diǎn)是對(duì)設(shè)備和工藝的要求較高。
- 粉末燒結(jié)法：粉末燒結(jié)法是另一種制備鍺靶材的方法，主要包括粉末制備、成型、燒結(jié)等步驟。在粉末制備過(guò)程中，鍺礦石被研磨成微細(xì)的粉末；在成型過(guò)程中，鍺粉末被壓制成鍺坯；在燒結(jié)過(guò)程中，鍺坯被加熱至高溫，使其顆粒之間發(fā)生熔融和粘結(jié)，形成鍺靶材。粉末燒結(jié)法的優(yōu)點(diǎn)是可以得到具有良好結(jié)構(gòu)和性能的鍺靶材，缺點(diǎn)是生產(chǎn)效率較低，且對(duì)粉末的質(zhì)量和燒結(jié)條件的控制要求較高。
- 化學(xué)氣相沉積法（CVD）：CVD是一種在氣相中沉積薄膜的過(guò)程，可以用于制備鍺靶材。該方法首先將鍺的化合物如四氫鍺烷（GeH4）引入反應(yīng)室，在高溫下分解，生成鍺原子并在基片上沉積形成鍺薄膜。優(yōu)點(diǎn)是可以得到純度極高、結(jié)晶性良好的鍺靶材，缺點(diǎn)是設(shè)備復(fù)雜，成本較高。
鍺靶材是一種常見(jiàn)的濺射靶材，被廣泛用于各種薄膜沉積技術(shù)中，包括物理蒸發(fā)（PVD）和化學(xué)氣相沉積（CVD）等。其主要用途如下：
- 磁控濺射：磁控濺射是一種常見(jiàn)的物理蒸發(fā)技術(shù)，通過(guò)使用磁場(chǎng)控制鍺靶材的濺射，從而在基底上沉積形成鍺薄膜。這種方法可以得到具有良好均勻性和緊密性的薄膜。
- 激光濺射：激光濺射是另一種薄膜沉積技術(shù)，通過(guò)使用激光照射鍺靶材，使其蒸發(fā)或?yàn)R射，從而在基底上沉積形成鍺薄膜。這種方法可以得到具有高純度和良好結(jié)構(gòu)的薄膜。
- 制備各種鍺薄膜：由于鍺具有優(yōu)良的半導(dǎo)體特性，因此鍺靶材被廣泛用于制備各種鍺薄膜，這些薄膜在電子工業(yè)、光電子工業(yè)、太陽(yáng)能電池、半導(dǎo)體器件等領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。
- 制備多元素薄膜：鍺靶材還可以和其它元素的靶材一起使用，制備各種多元素薄膜。例如，鍺和硅的靶材可以一起使用，制備GeSi薄膜；鍺和錫的靶材可以一起使用，制備GeSn薄膜。這些多元素薄膜在半導(dǎo)體器件、光電子器件等領(lǐng)域中有著重要的應(yīng)用。
- 制備納米材料：通過(guò)控制鍺靶材的濺射條件，還可以制備各種鍺基納米材料，這些納米材料在催化、能源、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。
三、鍺靶材的應(yīng)用領(lǐng)域
- 半導(dǎo)體工業(yè)：在半導(dǎo)體工業(yè)中，鍺靶材主要用于制備鍺薄膜和鍺基復(fù)合薄膜，這些薄膜在半導(dǎo)體器件、集成電路、光電子器件等方面有著廣泛的應(yīng)用。例如，鍺和硅的復(fù)合薄膜在高速電子器件和光電子器件中有著重要的應(yīng)用。
- 光電子工業(yè)：在光電子工業(yè)中，鍺靶材主要用于制備紅外光電子器件。由于鍺的光學(xué)性能，尤其是在紅外波段的透明性，使得它在紅外探測(cè)器、紅外成像系統(tǒng)等設(shè)備中有著重要的應(yīng)用。
- 太陽(yáng)能電池：在太陽(yáng)能電池中，鍺靶材主要用于制備高效率的多結(jié)太陽(yáng)能電池。鍺薄膜可以作為多結(jié)太陽(yáng)能電池的底部電池層，用于吸收太陽(yáng)光譜的長(zhǎng)波部分，從而提高太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。
- 光纖通信：在光纖通信中，鍺靶材主要用于制備光放大器。鍺摻雜的光放大器可以有效地放大光信號(hào)，從而提高光纖通信的傳輸距離和速率。
鍺靶材的應(yīng)用案例
- 高速電子器件：在高速電子器件中，鍺靶材被用于制備GeSi薄膜。這種薄膜在高速電子器件中有著重要的應(yīng)用，例如在高速邏輯電路、高速存儲(chǔ)器等設(shè)備中。
- 紅外探測(cè)器：在紅外探測(cè)器中，鍺靶材被用于制備紅外光電子器件。這些器件可以有效地檢測(cè)紅外輻射，從而在軍事偵察、環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療診斷等領(lǐng)域中有著重要的應(yīng)用。
- 多結(jié)太陽(yáng)能電池：在多結(jié)太陽(yáng)能電池中，鍺靶材被用于制備底部電池層。這個(gè)電池層可以吸收太陽(yáng)光譜的長(zhǎng)波部分，從而提高太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。
四、鍺靶材的挑戰(zhàn)和問(wèn)題
- 純度問(wèn)題：鍺靶材的純度對(duì)其性能有極大影響。高純度的鍺靶材可以提供更好的電子和光學(xué)性能，但是提高鍺靶材的純度是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。在鍺靶材的制備過(guò)程中，需要通過(guò)精煉和凈化等步驟去除雜質(zhì)，但這些步驟往往復(fù)雜且成本高昂。
- 制備成本：鍺靶材的制備過(guò)程包括礦石開(kāi)采、熔煉、精煉、連鑄、軋制等步驟，這些步驟都需要大量的能源和資源。因此，降低鍺靶材的制備成本是一項(xiàng)重要的挑戰(zhàn)。
- 穩(wěn)定性問(wèn)題：鍺靶材在高溫、高壓、高輻射等極端環(huán)境下的穩(wěn)定性是一個(gè)重要問(wèn)題。例如，在太陽(yáng)能電池和光電子器件中，鍺靶材需要在高溫和高輻射的環(huán)境下工作，但在這些環(huán)境下，鍺靶材可能會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)和性能的變化，影響其應(yīng)用效果。
- 可持續(xù)性問(wèn)題：鍺是一種稀有元素，其資源有限。隨著鍺靶材的廣泛應(yīng)用，鍺資源的消耗速度加快，如何實(shí)現(xiàn)鍺靶材的可持續(xù)生產(chǎn)和使用是一項(xiàng)重要的挑戰(zhàn)。
在過(guò)去的幾年中，由于鍺的獨(dú)特的半導(dǎo)體和光電性能，使得它在太陽(yáng)能電池、紅外光學(xué)、光纖通信等領(lǐng)域的需求持續(xù)增長(zhǎng)。特別是在太陽(yáng)能電池領(lǐng)域，高效的多結(jié)太陽(yáng)能電池需要使用到鍺作為基底材料。在光電領(lǐng)域，鍺被用作紅外鏡頭和紅外探測(cè)器的主要材料。
供應(yīng)方面，鍺主要是作為其他金屬（如鋅和銅）礦石開(kāi)采的副產(chǎn)品而獲得的，因此其供應(yīng)量受到這些金屬市場(chǎng)的影響。全球主要的鍺產(chǎn)地包括中國(guó)、俄羅斯、加拿大等國(guó)。
長(zhǎng)期趨勢(shì)看，隨著新能源、光電子和通信技術(shù)的發(fā)展，預(yù)計(jì)鍺的需求將會(huì)進(jìn)一步增長(zhǎng)。然而，由于鍺的資源有限，未來(lái)可能會(huì)面臨供應(yīng)短缺的問(wèn)題。為了解決這個(gè)問(wèn)題，一方面需要開(kāi)發(fā)新的鍺資源，另一方面需要提高鍺的回收利用率。