Ile wiesz o szafirze?

Szafirowy kryształjest uprawiany z proszku tlenku glinu o wysokiej czystości o czystości ponad 99,995%. Jest to największy obszar zapotrzebowania na tlenek glinu o wysokiej czystości. Ma zalety wysokiej wytrzymałości, wysokiej twardości i stabilnych właściwości chemicznych. Może pracować w trudnych warunkach, takich jak wysoka temperatura, korozja i uderzenia. Jest szeroko stosowany w technologii obronnej i cywilnej, technologii mikroelektroniki i innych dziedzinach.

Od proszku tlenku glinu o wysokiej czystości po kryształ szafirowy

Kluczowe zastosowania szafiru

Podłoże LED to największe zastosowanie szafiru. Zastosowanie diod LED w oświetleniu to trzecia rewolucja po świetlówkach i lampach energooszczędnych. Zasadą działania diod LED jest zamiana energii elektrycznej na energię świetlną. Kiedy prąd przepływa przez półprzewodnik, dziury i elektrony łączą się, a nadmiar energii jest uwalniany w postaci energii świetlnej, ostatecznie tworząc efekt świetlistego oświetlenia.Technologia chipów LEDopiera siępłytki epitaksjalne. Poprzez warstwy materiałów gazowych osadzonych na podłożu, materiały podłoża obejmują głównie podłoże krzemowe,podłoże z węglika krzemui podłoże szafirowe. Wśród nich podłoże szafirowe ma oczywistą przewagę nad pozostałymi dwiema metodami podłoża. Zalety podłoża szafirowego odzwierciedlają się głównie w stabilności urządzenia, dojrzałej technologii przygotowania, braku absorpcji światła widzialnego, dobrej przepuszczalności światła i umiarkowanej cenie. Według danych 80% firm LED na świecie wykorzystuje szafir jako materiał podłoża.

Oprócz wyżej wymienionej dziedziny, kryształy szafiru mogą być również stosowane w ekranach telefonów komórkowych, sprzęcie medycznym, dekoracji biżuterii i innych dziedzinach. Ponadto można je również stosować jako materiały okienne do różnych naukowych instrumentów detekcyjnych, takich jak soczewki i pryzmaty.

Przygotowanie kryształów szafiru

W 1964 roku Poladino, AE i Rotter, BD po raz pierwszy zastosowali tę metodę do hodowli kryształów szafiru. Do tej pory wyprodukowano dużą liczbę wysokiej jakości kryształów szafiru. Zasada jest następująca: najpierw surowce podgrzewa się do temperatury topnienia w celu utworzenia stopu, a następnie zarodki pojedynczego kryształu (tj. kryształu zaszczepiającego) stykają się z powierzchnią stopu. Ze względu na różnicę temperatur granica fazowa ciało stałe-ciecz pomiędzy kryształem zaszczepiającym a stopionym materiałem zostaje przechłodzona, w związku z czym stop zaczyna krzepnąć na powierzchni kryształu zaszczepiającego i zaczyna wyrastać pojedynczy kryształ o tej samej strukturze krystalicznej co kryształkryształ nasion. Jednocześnie kryształ zaszczepiający jest powoli wyciągany do góry i obracany z określoną prędkością. W miarę wyciągania kryształu zaszczepiającego stop stopniowo krzepnie na granicy faz ciało stałe-ciecz, a następnie tworzy się pojedynczy kryształ. Jest to metoda hodowania kryształów ze stopu poprzez wyciąganie kryształu zaszczepiającego, w wyniku czego można wytworzyć ze stopu wysokiej jakości monokryształy. Jest to jedna z powszechnie stosowanych metod hodowli kryształów.

Zaletami stosowania metody Czochralskiego do hodowli kryształów są:

(1) tempo wzrostu jest szybkie, a wysokiej jakości monokryształy można wyhodować w krótkim czasie; 

(2) kryształ rośnie na powierzchni stopu i nie styka się ze ścianką tygla, co może skutecznie zmniejszyć naprężenia wewnętrzne kryształu i poprawić jakość kryształu. 

Jednakże główną wadą tej metody hodowli kryształów jest to, że średnica kryształu, który można hodować, jest mała, co nie sprzyja wzrostowi kryształów o dużych rozmiarach.

Metoda Kyropoulosa do hodowli kryształów szafiru

Metoda Kyropoulosa, wynaleziona przez Kyropoulsa w 1926 roku, nazywana jest metodą KY. Jej zasada jest podobna do metody Czochralskiego, to znaczy kryształ zaszczepiający styka się z powierzchnią wytopu, a następnie powoli wyciąga do góry. Jednakże, po pociągnięciu kryształu zaszczepiającego do góry przez pewien czas w celu utworzenia szyjki kryształu, kryształ zaszczepiający nie jest już wyciągany ani obracany, gdy szybkość krzepnięcia granicy faz pomiędzy stopionym kryształem a kryształem zaszczepiającym jest stabilna. Monokryształ jest stopniowo zestalany od góry do dołu, kontrolując szybkość chłodzenia, i na koniec apojedynczy kryształpowstaje.

Produkty wytwarzane w procesie śrutowania charakteryzują się wysoką jakością, niską gęstością defektów, dużymi rozmiarami i lepszą opłacalnością.

Hodowla kryształów szafiru metodą sterowanej formy

Jako specjalna technologia wzrostu kryształów, metoda formy kierowanej stosowana jest w oparciu o następującą zasadę: umieszczając w formie stopiony materiał o wysokiej temperaturze topnienia, stop jest zasysany do formy w wyniku działania kapilarnego formy, aby uzyskać kontakt z kryształem zaszczepiającym , a pojedynczy kryształ może powstać podczas wyciągania kryształów zaszczepiających i ciągłego krzepnięcia. Jednocześnie rozmiar krawędzi i kształt formy mają pewne ograniczenia dotyczące wielkości kryształów. Dlatego metoda ta ma pewne ograniczenia w procesie aplikacji i ma zastosowanie tylko do kryształów szafiru o specjalnym kształcie, takich jak rurowe i w kształcie litery U.

Wzrost kryształów szafiru metodą wymiany ciepła

Metoda wymiany ciepła służąca do wytwarzania kryształów szafiru o dużych rozmiarach została wynaleziona przez Freda Schmida i Dennisa w 1967 roku. Metoda wymiany ciepła ma dobry efekt izolacji termicznej, może niezależnie kontrolować gradient temperatury stopu i kryształu, ma dobrą sterowność i jest łatwiejsze w uprawie kryształy szafiru o niskiej dyslokacji i dużych rozmiarach.

Zaletą stosowania metody wymiany ciepła do hodowli kryształów szafiru jest to, że tygiel, kryształ i grzejnik nie poruszają się podczas wzrostu kryształów, co eliminuje działanie rozciągające metody Kyvo i metody ciągnięcia, redukując czynniki zakłócające człowieka, a tym samym unikając kryształów wady spowodowane ruchem mechanicznym; jednocześnie można kontrolować szybkość chłodzenia, aby zmniejszyć naprężenie termiczne kryształu i wynikające z niego defekty pękania i dyslokacji kryształów, a także umożliwia wyhodowanie większych kryształów. Jest łatwiejszy w obsłudze i ma dobre perspektywy rozwoju.

Źródła referencyjne:

[1] Zhu Zhenfeng. Badania morfologii powierzchni i uszkodzeń pęknięć kryształów szafiru podczas cięcia piłą diamentową

[2] Chang Hui. Badania aplikacyjne nad technologią hodowli wielkoformatowych kryształów szafiru

[3] Zhang Xueping. Badania nad wzrostem kryształów szafiru i zastosowaniem diod LED

[4] Liu Jie. Przegląd metod i właściwości wytwarzania kryształów szafiru