Cristalele de safir sunt obținute din pulbere de alumină de înaltă puritate, cu o puritate >99,995%, ceea ce le face zona cu cea mai mare cerere pentru alumină de înaltă puritate. Acestea prezintă rezistență ridicată, duritate ridicată și proprietăți chimice stabile, permițându-le să funcționeze în medii dure, cum ar fi temperaturi ridicate, coroziune și impact. Sunt utilizate pe scară largă în apărarea națională, tehnologia civilă, microelectronică și alte domenii.
De la pulbere de alumină de înaltă puritate la cristale de safir
1Aplicații cheie ale safirului
În sectorul apărării, cristalele de safir sunt utilizate în principal pentru ferestrele cu infraroșu pentru rachete. Războiul modern necesită o precizie ridicată în ceea ce privește rachetele, iar fereastra optică cu infraroșu este o componentă esențială pentru îndeplinirea acestei cerințe. Având în vedere că rachetele sunt supuse unor călduri aerodinamice intense și impacturi în timpul zborului de mare viteză, împreună cu medii de luptă dure, radomul trebuie să posede o rezistență ridicată, rezistență la impact și capacitatea de a rezista eroziunii cauzate de nisip, ploaie și alte condiții meteorologice severe. Cristalele de safir, cu transmisia excelentă a luminii, proprietățile mecanice superioare și caracteristicile chimice stabile, au devenit un material ideal pentru ferestrele cu infraroșu pentru rachete.
Substraturile LED reprezintă cea mai mare aplicație a safirului. Iluminatul cu LED este considerat a treia revoluție după lămpile fluorescente și cele economice. Principiul LED-urilor implică transformarea energiei electrice în energie luminoasă. Când curentul trece printr-un semiconductor, golurile și electronii se combină, eliberând excesul de energie sub formă de lumină, producând în cele din urmă iluminare. Tehnologia cipurilor LED se bazează pe napolitane epitaxiale, unde materialele gazoase sunt depuse strat cu strat pe un substrat. Principalele materiale de substrat includ substraturi de siliciu, substraturi de carbură de siliciu și substraturi de safir. Printre acestea, substraturile de safir oferă avantaje semnificative față de celelalte două, inclusiv stabilitatea dispozitivului, tehnologia matură de preparare, neabsorbția luminii vizibile, o bună transmitanță a luminii și un cost moderat. Datele arată că 80% dintre companiile globale de LED-uri utilizează safirul ca material de substrat.
Pe lângă aplicațiile menționate anterior, cristalele de safir sunt utilizate și în ecranele telefoanelor mobile, dispozitivele medicale, decorarea bijuteriilor și ca materiale pentru ferestrele diverselor instrumente științifice de detectare, cum ar fi lentilele și prismele.
2. Dimensiunea pieței și perspectivele
Impulsionată de sprijinul politicilor și de scenariile de aplicare în expansiune ale cipurilor LED, se așteaptă ca cererea de substraturi de safir și dimensiunea pieței acestora să înregistreze o creștere de două cifre. Până în 2025, se preconizează că volumul livrărilor de substraturi de safir va ajunge la 103 milioane de bucăți (convertite în substraturi de 4 inci), reprezentând o creștere de 63% față de 2021, cu o rată anuală compusă de creștere (CAGR) de 13% din 2021 până în 2025. Se așteaptă ca dimensiunea pieței substraturilor de safir să ajungă la 8 miliarde de yeni până în 2025, o creștere de 108% față de 2021, cu o CAGR de 20% din 2021 până în 2025. Ca „precursor” al substraturilor, dimensiunea pieței și tendința de creștere a cristalelor de safir sunt evidente.
3. Prepararea cristalelor de safir
Din 1891, când chimistul francez Verneuil A. a inventat metoda de fuziune cu flacără pentru a produce cristale artificiale de pietre prețioase pentru prima dată, studiul creșterii cristalelor artificiale de safir s-a întins pe o perioadă de peste un secol. În această perioadă, progresele științei și tehnologiei au impulsionat cercetări ample în tehnicile de creștere a safirului pentru a satisface cerințele industriale pentru o calitate mai mare a cristalelor, rate de utilizare îmbunătățite și costuri de producție reduse. Au apărut diverse metode și tehnologii noi pentru creșterea cristalelor de safir, cum ar fi metoda Czochralski, metoda Kyropoulos, metoda de creștere cu film definit pe margini (EFG) și metoda de schimb de căldură (HEM).
3.1 Metoda Czochralski pentru creșterea cristalelor de safir
Metoda Czochralski, inițiată de Czochralski J. în 1918, este cunoscută și sub numele de tehnica Czochralski (prescurtată ca metoda Cz). În 1964, Poladino AE și Rotter BD au aplicat pentru prima dată această metodă pentru a crește cristale de safir. Până în prezent, aceasta a produs un număr mare de cristale de safir de înaltă calitate. Principiul implică topirea materiei prime pentru a forma o topitură, apoi scufundarea unei semințe monocristale în suprafața topiturii. Datorită diferenței de temperatură la interfața solid-lichid, are loc suprarăcirea, determinând solidificarea topiturii pe suprafața seminței și începerea creșterii unui monocristal cu aceeași structură cristalină ca și semințele. Semințele sunt trase încet în sus, rotindu-se cu o anumită viteză. Pe măsură ce semințele sunt trase, topitura se solidifică treptat la interfață, formând un monocristal. Această metodă, care implică extragerea unui cristal din topitură, este una dintre tehnicile comune pentru prepararea monocristalelor de înaltă calitate.
Avantajele metodei Czochralski includ: (1) o rată de creștere rapidă, permițând producerea de monocristale de înaltă calitate într-un timp scurt; (2) cristalele cresc la suprafața topiturii fără contact cu peretele creuzetului, reducând eficient tensiunea internă și îmbunătățind calitatea cristalelor. Cu toate acestea, un dezavantaj major al acestei metode este dificultatea de a crește cristale cu diametru mare, ceea ce o face mai puțin potrivită pentru producerea de cristale de dimensiuni mari.
3.2 Metoda Kyropoulos pentru creșterea cristalelor de safir
Metoda Kyropoulos, inventată de Kyropoulos în 1926 (prescurtată ca metoda KY), are asemănări cu metoda Czochralski. Aceasta implică scufundarea unui cristal de însămânțare în suprafața topiturii și tragerea lui lentă în sus pentru a forma un gât. Odată ce viteza de solidificare la interfața topitură-sămânță se stabilizează, sămânța nu mai este trasă sau rotită. În schimb, viteza de răcire este controlată pentru a permite monocristalului să se solidifice treptat de sus în jos, formând în cele din urmă un monocristal.
Procesul Kyropoulos produce cristale de înaltă calitate, densitate scăzută a defectelor, dimensiuni mari și cu un raport cost-eficiență favorabil.
3.3 Metoda de creștere cu film definit pe margini (EFG) pentru creșterea cristalelor de safir
Metoda EFG este o tehnologie de creștere a cristalelor modelate. Principiul său implică plasarea unei topituri cu punct de topire ridicat într-o matriță. Topitura este trasă în partea superioară a matriței prin acțiune capilară, unde intră în contact cu cristalul de însămânțare. Pe măsură ce sămânța este trasă și topitura se solidifică, se formează un monocristal. Dimensiunea și forma marginii matriței restricționează dimensiunile cristalului. Prin urmare, această metodă are anumite limitări și este potrivită în primul rând pentru cristale de safir modelate, cum ar fi tuburile și profilele în formă de U.
3.4 Metoda de schimb de căldură (HEM) pentru creșterea cristalelor de safir
Metoda de schimb de căldură pentru prepararea cristalelor de safir de dimensiuni mari a fost inventată de Fred Schmid și Dennis în 1967. Sistemul HEM se caracterizează prin izolație termică excelentă, control independent al gradientului de temperatură în topitură și cristal și o bună controlabilitate. Produce relativ ușor cristale de safir cu dislocații reduse și dimensiuni mari.
Avantajele metodei HEM includ absența mișcării creuzetului, cristalului și încălzitorului în timpul creșterii, eliminând acțiunile de tragere precum cele din metodele Kyropoulos și Czochralski. Acest lucru reduce interferența umană și evită defectele cristaline cauzate de mișcarea mecanică. În plus, viteza de răcire poate fi controlată pentru a minimiza stresul termic și defectele rezultate de fisurare și dislocare a cristalelor. Această metodă permite creșterea cristalelor de dimensiuni mari, este relativ ușor de utilizat și are perspective promițătoare de dezvoltare.
Bazându-se pe o vastă expertiză în creșterea cristalului de safir și procesarea de precizie, XKH oferă soluții complete personalizate de napolitane din safir, adaptate pentru aplicații în domeniul apărării, LED-urilor și optoelectronicii. Pe lângă safir, furnizăm o gamă completă de materiale semiconductoare de înaltă performanță, inclusiv napolitane din carbură de siliciu (SiC), napolitane din siliciu, componente ceramice SiC și produse din cuarț. Asigurăm o calitate excepțională, fiabilitate și asistență tehnică pentru toate materialele, ajutând clienții să obțină performanțe inovatoare în aplicații industriale și de cercetare avansate.
Data publicării: 29 august 2025