Колко знаете за сапфира?

Сапфирен кристалсе отглежда от прах от алуминиев оксид с висока чистота с чистота над 99,995%. Това е зоната с най-голямо търсене на алуминиев оксид с висока чистота. Той има предимствата на висока якост, висока твърдост и стабилни химични свойства. Може да работи в тежки среди като висока температура, корозия и удар. Той се използва широко в отбранителната и гражданската технология, технологията на микроелектрониката и други области.

От алуминиев прах с висока чистота до сапфирен кристал

Ключови приложения на сапфира

LED субстратът е най-голямото приложение на сапфир. Приложението на LED в осветлението е третата революция след луминесцентните лампи и енергоспестяващите лампи. Принципът на LED е да преобразува електрическата енергия в светлинна. Когато токът преминава през полупроводника, дупките и електроните се комбинират и излишната енергия се освобождава като светлинна енергия, което накрая създава ефекта на светлинно осветление.LED чип технологиясе базира наепитаксиални пластини. Чрез слоеве от газообразни материали, отложени върху субстрата, субстратните материали включват главно силициев субстрат,силициев карбид субстрати сапфирена подложка. Сред тях сапфирният субстрат има очевидни предимства пред другите два метода на субстрата. Предимствата на сапфирения субстрат се отразяват главно в стабилността на устройството, зряла технология за подготовка, непоглъщане на видима светлина, добра пропускливост на светлина и умерена цена. Според данните 80% от LED компаниите в света използват сапфир като субстратен материал.

В допълнение към гореспоменатата област, сапфирените кристали могат да се използват и в екрани на мобилни телефони, медицинско оборудване, декорация на бижута и други области. В допълнение, те могат да се използват и като материали за прозорци за различни научни инструменти за откриване, като лещи и призми.

Приготвяне на сапфирени кристали

През 1964 г. Poladino, AE и Rotter, BD за първи път прилагат този метод за растеж на сапфирени кристали. Досега са произведени голям брой висококачествени сапфирени кристали. Принципът е: първо, суровините се нагряват до точката на топене, за да се образува стопилка, а след това се използва единичен кристален зародиш (т.е. зародишен кристал) за контакт с повърхността на стопилката. Поради температурната разлика границата твърдо-течно между зародишния кристал и стопилката се преохлажда, така че стопилката започва да се втвърдява на повърхността на зародишния кристал и започва да расте единичен кристал със същата кристална структура катозародишен кристал. В същото време зародишният кристал бавно се изтегля нагоре и се върти с определена скорост. Докато зародишният кристал се изтегля, стопилката постепенно се втвърдява на границата твърдо-течно и след това се образува единичен кристал. Това е метод за отглеждане на кристали от стопилка чрез издърпване на зародишен кристал, който може да подготви висококачествени монокристали от стопилката. Това е един от често използваните методи за растеж на кристали.

Предимствата на използването на метода на Чохралски за отглеждане на кристали са:

(1) темпът на растеж е бърз и висококачествените монокристали могат да се отглеждат за кратък период от време; 

(2) кристалът расте на повърхността на стопилката и не контактува със стената на тигела, което може ефективно да намали вътрешното напрежение на кристала и да подобри качеството на кристала. 

Въпреки това, основен недостатък на този метод за отглеждане на кристали е, че диаметърът на кристала, който може да се отгледа, е малък, което не е благоприятно за растежа на кристали с големи размери.

Kyropoulos method for growing sapphire crystals

Методът на Kyropoulos, изобретен от Kyropouls през 1926 г., се нарича KY метод. Неговият принцип е подобен на този на метода на Чохралски, т.е. зародишният кристал се поставя в контакт с повърхността на стопилката и след това бавно се издърпва нагоре. Въпреки това, след като зародишният кристал се изтегли нагоре за определен период от време, за да се образува кристална шийка, зародишният кристал вече не се издърпва нагоре или се върти, след като скоростта на втвърдяване на интерфейса между стопилката и зародишния кристал е стабилна. Единичният кристал постепенно се втвърдява отгоре надолу чрез контролиране на скоростта на охлаждане и накрая aединичен кристалсе формира.

Продуктите, произведени чрез процеса на натрошаване, имат характеристиките на високо качество, ниска плътност на дефекти, голям размер и по-добра рентабилност.

Растеж на сапфирен кристал чрез метод на направлявана форма

Като специална технология за растеж на кристали, методът на направляваната форма се използва на следния принцип: чрез поставяне на стопилка с висока точка на топене във формата, стопилката се засмуква върху формата чрез капилярното действие на матрицата, за да се постигне контакт със зародишния кристал , и единичен кристал може да се образува по време на издърпването на зародишния кристал и непрекъснатото втвърдяване. В същото време размерът на ръба и формата на матрицата имат определени ограничения върху размера на кристала. Следователно този метод има определени ограничения в процеса на прилагане и е приложим само за сапфирени кристали със специална форма, като тръбни и U-образни.

Израстване на сапфирен кристал чрез топлообменен метод

Методът за топлообмен за получаване на сапфирови кристали с големи размери е изобретен от Фред Шмид и Денис през 1967 г. Методът за топлообмен има добър топлоизолационен ефект, може независимо да контролира температурния градиент на стопилката и кристала, има добра управляемост и е по-лесни за отглеждане сапфирени кристали с ниска дислокация и голям размер.

Предимството на използването на метода на топлообмен за отглеждане на сапфирови кристали е, че тигелът, кристалът и нагревателят не се движат по време на растежа на кристала, елиминирайки разтягащото действие на метода kyvo и метода на издърпване, намалявайки факторите на човешка намеса и по този начин избягвайки кристала дефекти, причинени от механично движение; в същото време скоростта на охлаждане може да се контролира, за да се намали термичният стрес на кристала и произтичащите от това кристални пукнатини и дислокационни дефекти, и могат да растат по-големи кристали. Той е по-лесен за работа и има добри перспективи за развитие.

Справочни източници:

[1] Джу Джънфън. Изследване на морфологията на повърхността и увреждане от пукнатини на сапфирени кристали чрез рязане с диамантен тел

[2] Чан Хуей. Приложно изследване на технология за растеж на сапфирени кристали с големи размери

[3] Джан Сюепин. Изследване на растежа на сапфирен кристал и приложението на LED

[4] Liu Jie. Преглед на методите и характеристиките на получаване на сапфирен кристал