Safirni kristali se gojijo iz prahu visoko čistega aluminijevega oksida s čistoto > 99,995 %, zaradi česar so največje povpraševanje po visoko čistem aluminijevem oksidu. Imajo visoko trdnost, visoko trdoto in stabilne kemijske lastnosti, kar jim omogoča delovanje v težkih okoljih, kot so visoke temperature, korozija in udarci. Široko se uporabljajo v nacionalni obrambi, civilni tehnologiji, mikroelektroniki in drugih področjih.
Od visoko čistega aluminijevega prahu do safirnih kristalov
1Ključne uporabe safirja
V obrambnem sektorju se safirni kristali uporabljajo predvsem za infrardeča okna raket. Sodobno vojskovanje zahteva visoko natančnost raket, infrardeče optično okno pa je ključna komponenta za doseganje te zahteve. Glede na to, da rakete med hitrim letom, skupaj z ostrim bojnim okoljem, doživljajo intenzivno aerodinamično toploto in udarce, mora imeti radom visoko trdnost, odpornost proti udarcem in sposobnost, da prenese erozijo zaradi peska, dežja in drugih hudih vremenskih razmer. Safirni kristali so s svojo odlično prepustnostjo svetlobe, vrhunskimi mehanskimi lastnostmi in stabilnimi kemičnimi lastnostmi postali idealen material za infrardeča okna raket.
LED substrati predstavljajo največjo uporabo safirja. LED osvetlitev velja za tretjo revolucijo po fluorescenčnih in energetsko varčnih sijalkah. Načelo LED diod vključuje pretvorbo električne energije v svetlobno energijo. Ko tok teče skozi polprevodnik, se luknje in elektroni združijo, pri čemer se sprosti odvečna energija v obliki svetlobe, kar na koncu ustvari osvetlitev. Tehnologija LED čipov temelji na epitaksialnih rezinah, kjer se plinasti materiali plast za plastjo nanašajo na substrat. Glavni materiali substratov vključujejo silicijeve substrate, silicijev karbidne substrate in safirne substrate. Med njimi safirni substrati ponujajo pomembne prednosti pred drugima dvema, vključno s stabilnostjo naprave, zrelo tehnologijo priprave, neabsorbcijo vidne svetlobe, dobro prepustnostjo svetlobe in zmernimi stroški. Podatki kažejo, da 80 % svetovnih podjetij, ki se ukvarjajo z LED diodami, uporablja safir kot material za substrat.
Poleg zgoraj omenjenih aplikacij se safirni kristali uporabljajo tudi v zaslonih mobilnih telefonov, medicinskih pripomočkih, okrasju nakita in kot okenski materiali za različne znanstvene instrumente za odkrivanje, kot so leče in prizme.
2. Velikost trga in možnosti
Zaradi podpore politik in naraščajočih scenarijev uporabe LED čipov naj bi povpraševanje po safirnih substratih in njihova velikost trga dosegla dvomestno rast. Do leta 2025 naj bi obseg pošiljk safirnih substratov dosegel 103 milijone kosov (preračunano na 4-palčne substrate), kar predstavlja 63-odstotno povečanje v primerjavi z letom 2021, s sestavljeno letno stopnjo rasti (CAGR) 13 % od leta 2021 do 2025. Pričakuje se, da bo velikost trga safirnih substratov do leta 2025 dosegla 8 milijard jenov, kar je 108-odstotno povečanje v primerjavi z letom 2021, s CAGR 20 % od leta 2021 do 2025. Kot "predhodnik" substratov sta velikost trga in trend rasti safirnih kristalov očitna.
3. Priprava safirnih kristalov
Od leta 1891, ko je francoski kemik Verneuil A. izumil metodo plamenskega taljenja za izdelavo umetnih kristalov dragih kamnov, se je preučevanje rasti umetnih kristalov safirja raztezalo več kot stoletje. V tem obdobju je napredek v znanosti in tehnologiji spodbudil obsežne raziskave tehnik rasti safirjev, da bi zadostili industrijskim zahtevam po višji kakovosti kristalov, izboljšani stopnji izkoriščenosti in nižjih proizvodnih stroških. Pojavile so se različne nove metode in tehnologije za gojenje kristalov safirja, kot so Czochralskijeva metoda, Kyropoulosova metoda, metoda rasti s filmom z določenim robom (EFG) in metoda izmenjave toplote (HEM).
3.1 Czochralskijeva metoda za gojenje safirnih kristalov
Czochralskijeva metoda, ki jo je leta 1918 uvedel Czochralski J., je znana tudi kot Czochralskijeva tehnika (skrajšano Cz metoda). Leta 1964 sta Poladino AE in Rotter BD prva uporabila to metodo za gojenje safirnih kristalov. Do danes je proizvedla veliko število visokokakovostnih safirnih kristalov. Načelo vključuje taljenje surovine, da nastane talina, nato pa se v površino taline potopi seme monokristala. Zaradi temperaturne razlike na vmesniku trdna snov-tekočina pride do podhlajanja, zaradi česar se talina strdi na površini semena in začne rasti monokristal z enako kristalno strukturo kot seme. Seme se med vrtenjem z določeno hitrostjo počasi vleče navzgor. Ko se seme vleče, se talina postopoma strdi na vmesniku in tvori monokristal. Ta metoda, ki vključuje vlečenje kristala iz taline, je ena od pogostih tehnik za pripravo visokokakovostnih monokristalov.
Prednosti Czochralskega postopka vključujejo: (1) hitro rast, ki omogoča proizvodnjo visokokakovostnih monokristalov v kratkem času; (2) kristali rastejo na površini taline brez stika s steno lončka, kar učinkovito zmanjšuje notranje napetosti in izboljšuje kakovost kristalov. Vendar pa je glavna pomanjkljivost te metode težavnost gojenja kristalov velikega premera, zaradi česar je manj primerna za proizvodnjo kristalov velikih velikosti.
3.2 Kyropoulosova metoda za gojenje safirnih kristalov
Kyropoulosova metoda, ki jo je Kyropoulos izumil leta 1926 (skrajšano KY metoda), ima nekaj skupnega s Czochralskim postopkom. Pri njej se kristalno seme potopi v površino taline in ga počasi potegne navzgor, da se oblikuje vrat. Ko se hitrost strjevanja na vmesniku med talino in kalcem stabilizira, se kal ne vleče ali vrti več. Namesto tega se hitrost ohlajanja nadzoruje, da se monokristal postopoma strjuje od zgoraj navzdol in na koncu tvori monokristal.
Kyropoulosov postopek proizvaja kristale z visoko kakovostjo, nizko gostoto napak, velikimi velikostmi in ugodno stroškovno učinkovitostjo.
3.3 Metoda rasti s filmskim napajanjem (EFG) z določenimi robovi za gojenje safirnih kristalov
Metoda EFG je tehnologija rasti oblikovanih kristalov. Njeno načelo vključuje namestitev taline z visokim tališčem v kalup. Talina se s kapilarnim delovanjem potegne na vrh kalupa, kjer pride v stik s kristalnim kalilcem. Ko se kalil potegne in se talina strdi, nastane monokristal. Velikost in oblika roba kalupa omejujeta dimenzije kristala. Posledično ima ta metoda določene omejitve in je primerna predvsem za oblikovane safirne kristale, kot so cevi in profili v obliki črke U.
3.4 Metoda izmenjave toplote (HEM) za gojenje safirnih kristalov
Metodo izmenjave toplote za pripravo velikih safirnih kristalov sta leta 1967 izumila Fred Schmid in Dennis. Sistem HEM ima odlično toplotno izolacijo, neodvisen nadzor temperaturnega gradienta v talini in kristalu ter dobro vodljivost. Relativno enostavno proizvaja safirne kristale z nizko dislokacijo in velikimi dimenzijami.
Prednosti metode HEM vključujejo odsotnost premikanja lončka, kristala in grelnika med rastjo, kar odpravlja vlečna dejanja, kot so tista pri metodah Kyropoulos in Czochralski. To zmanjšuje človeške posege in preprečuje kristalne napake, ki jih povzroča mehansko gibanje. Poleg tega je mogoče nadzorovati hitrost hlajenja, da se zmanjšajo toplotne obremenitve in posledične kristalne razpoke ter dislokacijske napake. Ta metoda omogoča rast velikih kristalov, je relativno enostavna za uporabo in ima obetavne razvojne možnosti.
Z bogatim strokovnim znanjem na področju rasti in precizne obdelave safirnih kristalov XKH ponuja celovite rešitve za izdelavo safirnih rezin po meri, prilagojene obrambnim, LED in optoelektronskim aplikacijam. Poleg safirja dobavljamo tudi celotno paleto visokozmogljivih polprevodniških materialov, vključno s silicijevimi karbidnimi (SiC) rezinami, silicijevimi rezinami, keramičnimi komponentami SiC in kremenčevimi izdelki. Zagotavljamo izjemno kakovost, zanesljivost in tehnično podporo za vse materiale, s čimer strankam pomagamo doseči prebojno zmogljivost v naprednih industrijskih in raziskovalnih aplikacijah.
Čas objave: 29. avg. 2025