Kryształy szafiru są wytwarzane z proszku tlenku glinu o wysokiej czystości >99,995%, co czyni je największym obszarem popytu na tlenek glinu o wysokiej czystości. Charakteryzują się wysoką wytrzymałością, wysoką twardością i stabilnymi właściwościami chemicznymi, co pozwala im na pracę w trudnych warunkach, takich jak wysokie temperatury, korozja i uderzenia. Są szeroko stosowane w obronie narodowej, technologii cywilnej, mikroelektronice i innych dziedzinach.
Od proszku tlenku glinu o wysokiej czystości do kryształów szafiru
1. Kluczowe zastosowania szafiru
W sektorze obronnym szafirowe kryształy są wykorzystywane głównie do produkcji okien podczerwonych dla pocisków rakietowych. Współczesne działania wojenne wymagają od pocisków wysokiej precyzji, a okno optyczne na podczerwień jest kluczowym elementem umożliwiającym spełnienie tego wymogu. Biorąc pod uwagę, że pociski są narażone na intensywne ciepło aerodynamiczne i uderzenia podczas lotu z dużą prędkością, a także na trudne warunki bojowe, osłona radaru musi charakteryzować się wysoką wytrzymałością, odpornością na uderzenia oraz odpornością na erozję spowodowaną piaskiem, deszczem i innymi trudnymi warunkami pogodowymi. Szafirowe kryształy, dzięki doskonałej transmisji światła, doskonałym właściwościom mechanicznym i stabilnym właściwościom chemicznym, stały się idealnym materiałem do produkcji okien podczerwonych dla pocisków rakietowych.
Podłoża LED stanowią największe zastosowanie szafiru. Oświetlenie LED jest uważane za trzecią rewolucję po świetlówkach i lampach energooszczędnych. Zasada działania diod LED polega na przekształcaniu energii elektrycznej w energię świetlną. Gdy prąd przepływa przez półprzewodnik, dziury i elektrony łączą się, uwalniając nadmiar energii w postaci światła, co ostatecznie prowadzi do oświetlenia. Technologia chipów LED opiera się na płytkach epitaksjalnych, gdzie materiały gazowe są osadzane warstwa po warstwie na podłożu. Główne materiały podłoża to podłoża krzemowe, podłoża z węglika krzemu i podłoża szafirowe. Spośród nich podłoża szafirowe oferują znaczące zalety w porównaniu z dwoma pozostałymi, w tym stabilność urządzenia, zaawansowaną technologię przygotowania, brak absorpcji światła widzialnego, dobrą transmisję światła i umiarkowaną cenę. Dane pokazują, że 80% globalnych firm produkujących diody LED wykorzystuje szafir jako materiał podłoża.
Oprócz wyżej wymienionych zastosowań, kryształy szafiru wykorzystuje się również w ekranach telefonów komórkowych, urządzeniach medycznych, ozdobach biżuterii oraz jako materiał na okna różnych przyrządów naukowych, takich jak soczewki i pryzmaty.
2. Wielkość rynku i perspektywy
Dzięki wsparciu polityki i rozwijającym się scenariuszom zastosowań chipów LED, popyt na podłoża szafirowe i jego wielkość rynkowa mają osiągnąć dwucyfrowy wzrost. Przewiduje się, że do 2025 roku wolumen dostaw podłoży szafirowych osiągnie 103 miliony sztuk (w przeliczeniu na podłoża 4-calowe), co stanowi wzrost o 63% w porównaniu z 2021 rokiem, przy średniorocznym tempie wzrostu (CAGR) na poziomie 13% w latach 2021-2025. Przewiduje się, że wielkość rynku podłoży szafirowych osiągnie 8 miliardów jenów do 2025 roku, co stanowi wzrost o 108% w porównaniu z 2021 rokiem, przy średniorocznym tempie wzrostu (CAGR) na poziomie 20% w latach 2021-2025. Jako „prekursor” podłoży, kryształy szafirowe mają wyraźny trend wzrostowy i rynkowy.
3. Przygotowanie kryształów szafirowych
Od 1891 roku, kiedy francuski chemik Verneuil A. wynalazł metodę syntezy płomieniowej do produkcji sztucznych kryształów klejnotów, badania nad wzrostem sztucznych kryształów szafiru trwają już ponad wiek. W tym okresie postęp nauki i technologii doprowadził do intensywnych badań nad technikami wzrostu szafirów, aby sprostać zapotrzebowaniu przemysłu na wyższą jakość kryształów, lepsze wskaźniki wykorzystania i niższe koszty produkcji. Pojawiły się nowe metody i technologie wzrostu kryształów szafiru, takie jak metoda Czochralskiego, metoda Kyropoulosa, metoda wzrostu z wykorzystaniem folii o zdefiniowanych krawędziach (EFG) oraz metoda wymiany ciepła (HEM).
3.1 Metoda Czochralskiego do hodowli kryształów szafiru
Metoda Czochralskiego, opracowana przez Czochralskiego J. w 1918 roku, znana jest również jako technika Czochralskiego (w skrócie metoda Cz). W 1964 roku Poladino AE i Rotter BD po raz pierwszy zastosowali tę metodę do hodowli kryształów szafiru. Do dziś wyprodukowano nią dużą liczbę wysokiej jakości kryształów szafiru. Zasada polega na stopieniu surowca w celu utworzenia stopu, a następnie zanurzeniu pojedynczego zarodka kryształu w powierzchni stopu. Z powodu różnicy temperatur na granicy faz ciało stałe-ciecz następuje przechłodzenie, powodując krzepnięcie stopu na powierzchni zarodka i rozpoczęcie wzrostu pojedynczego kryształu o tej samej strukturze krystalicznej co zarodek. Zarodek jest powoli wyciągany w górę, obracając się z określoną prędkością. W miarę wyciągania zarodka, stop stopniowo krzepnie na granicy faz, tworząc pojedynczy kryształ. Ta metoda, polegająca na wyciąganiu kryształu ze stopu, jest jedną z powszechnych technik przygotowywania wysokiej jakości pojedynczych kryształów.
Zalety metody Czochralskiego obejmują: (1) szybkie tempo wzrostu, umożliwiające produkcję wysokiej jakości monokryształów w krótkim czasie; (2) wzrost kryształów na powierzchni stopu bez kontaktu ze ścianką tygla, co skutecznie redukuje naprężenia wewnętrzne i poprawia jakość kryształu. Jednak poważną wadą tej metody jest trudność w hodowli kryształów o dużej średnicy, co czyni ją mniej odpowiednią do produkcji kryształów o dużych rozmiarach.
3.2 Metoda Kyropoulosa do hodowli kryształów szafiru
Metoda Kyropoulosa, wynaleziona przez Kyropoulosa w 1926 roku (w skrócie metoda KY), ma podobieństwa do metody Czochralskiego. Polega ona na zanurzeniu kryształu zarodkowego w powierzchni stopu i powolnym pociąganiu go ku górze, tworząc szyjkę. Gdy szybkość krzepnięcia na granicy faz stop-zarodek się ustabilizuje, kryształ nie jest już pociągany ani obracany. Zamiast tego, szybkość chłodzenia jest kontrolowana, aby umożliwić stopniowe krzepnięcie monokryształu od góry w dół, ostatecznie tworząc monokryształ.
Proces Kyropoulos pozwala na produkcję kryształów o wysokiej jakości, małej gęstości defektów, dużych rozmiarach i korzystnej opłacalności.
3.3 Metoda wzrostu z wykorzystaniem folii o zdefiniowanej krawędzi (EFG) do hodowli kryształów szafiru
Metoda EFG to technologia wzrostu kryształów formowanych. Jej zasada działania polega na umieszczeniu stopu o wysokiej temperaturze topnienia w formie. Stop jest wciągany do górnej części formy poprzez działanie sił kapilarnych, gdzie styka się z kryształem zarodkowym. W miarę wciągania zarodka i krzepnięcia stopu powstaje pojedynczy kryształ. Rozmiar i kształt krawędzi formy ograniczają wymiary kryształu. W związku z tym metoda ta ma pewne ograniczenia i nadaje się głównie do kryształów szafirowych formowanych, takich jak rurki i profile w kształcie litery U.
3.4 Metoda wymiany ciepła (HEM) do hodowli kryształów szafiru
Metoda wymiany ciepła do wytwarzania kryształów szafiru o dużych rozmiarach została wynaleziona przez Freda Schmida i Dennisa w 1967 roku. System HEM charakteryzuje się doskonałą izolacją termiczną, niezależną kontrolą gradientu temperatury w stopie i krysztale oraz dobrą sterowalnością. Stosunkowo łatwo wytwarza kryształy szafiru o niskiej dyslokacji i dużych rozmiarach.
Do zalet metody HEM należy brak ruchu w tyglu, krysztale i grzałce podczas wzrostu, co eliminuje działania ciągnące, takie jak te stosowane w metodach Kyropoulosa i Czochralskiego. Ogranicza to ingerencję człowieka i zapobiega powstawaniu defektów kryształu spowodowanych ruchem mechanicznym. Dodatkowo, szybkość chłodzenia można kontrolować, aby zminimalizować naprężenia cieplne i wynikające z nich pękanie kryształów oraz wady dyslokacyjne. Metoda ta umożliwia wzrost kryształów o dużych rozmiarach, jest stosunkowo łatwa w obsłudze i ma obiecujące perspektywy rozwoju.
Wykorzystując bogate doświadczenie w zakresie wzrostu kryształów szafiru i precyzyjnego przetwarzania, XKH oferuje kompleksowe, niestandardowe rozwiązania w zakresie płytek szafirowych, dostosowane do zastosowań w obronności, diodach LED i optoelektronice. Oprócz szafiru, dostarczamy pełną gamę wysokowydajnych materiałów półprzewodnikowych, w tym płytki z węglika krzemu (SiC), płytki krzemowe, komponenty ceramiczne SiC oraz produkty kwarcowe. Gwarantujemy wyjątkową jakość, niezawodność i wsparcie techniczne dla wszystkich materiałów, pomagając klientom osiągnąć przełomową wydajność w zaawansowanych zastosowaniach przemysłowych i badawczych.
Czas publikacji: 29.08.2025