Сапфирените кристали се отглеждат от високочист алуминиев прах с чистота >99,995%, което ги прави най-търсената област за високочист алуминиев оксид. Те проявяват висока якост, висока твърдост и стабилни химични свойства, което им позволява да работят в тежки условия като високи температури, корозия и удар. Те се използват широко в националната отбрана, гражданските технологии, микроелектрониката и други области.
От високочист алуминиев прах до сапфирени кристали
1Ключови приложения на сапфира
В отбранителния сектор сапфирените кристали се използват предимно за инфрачервени прозорци на ракети. Съвременната война изисква висока прецизност при ракетите, а инфрачервеният оптичен прозорец е критичен компонент за постигане на това изискване. Като се има предвид, че ракетите изпитват интензивна аеродинамична топлина и удар по време на високоскоростен полет, както и в тежки бойни условия, радомът трябва да притежава висока якост, устойчивост на удар и способност да издържа на ерозия от пясък, дъжд и други тежки метеорологични условия. Сапфирените кристали, с отличното си пропускане на светлина, превъзходни механични свойства и стабилни химични характеристики, са се превърнали в идеален материал за инфрачервени прозорци на ракети.
LED субстратите представляват най-голямото приложение на сапфира. LED осветлението се счита за третата революция след флуоресцентните и енергоспестяващите лампи. Принципът на светодиодите включва преобразуване на електрическата енергия в светлинна енергия. Когато токът преминава през полупроводник, дупките и електроните се комбинират, освобождавайки излишната енергия под формата на светлина, което в крайна сметка произвежда осветление. Технологията на LED чиповете се основава на епитаксиални пластини, където газообразни материали се отлагат слой по слой върху субстрата. Основните материали за субстрата включват силициеви субстрати, силициево-карбидни субстрати и сапфирени субстрати. Сред тях сапфирените субстрати предлагат значителни предимства пред другите два, включително стабилност на устройството, зряла технология за подготовка, неабсорбция на видима светлина, добра пропускливост на светлината и умерена цена. Данните показват, че 80% от световните LED компании използват сапфир като материал за субстрата си.
В допълнение към гореспоменатите приложения, сапфирените кристали се използват и в екрани на мобилни телефони, медицински изделия, декорация на бижута и като материали за прозорци за различни научни инструменти за откриване, като лещи и призми.
2. Размер на пазара и перспективи
Водени от подкрепата на политиката и разширяващите се сценарии за приложение на LED чипове, се очаква търсенето на сапфирени субстрати и техният пазарен размер да достигнат двуцифрен растеж. До 2025 г. се очаква обемът на доставките на сапфирени субстрати да достигне 103 милиона броя (преобразувани в 4-инчови субстрати), което представлява увеличение с 63% в сравнение с 2021 г., със сложен годишен темп на растеж (CAGR) от 13% от 2021 г. до 2025 г. Очаква се размерът на пазара на сапфирени субстрати да достигне 8 милиарда йени до 2025 г., което е увеличение със 108% в сравнение с 2021 г., със CAGR от 20% от 2021 г. до 2025 г. Като „предшественик“ на субстратите, размерът на пазара и тенденцията на растеж на сапфирените кристали са очевидни.
3. Приготвяне на сапфирени кристали
От 1891 г., когато френският химик Верньой А. изобретява метода на пламъчно сливане, за да произвежда изкуствени кристали от скъпоценни камъни за първи път, изследването на растежа на изкуствени сапфирени кристали обхваща повече от век. През този период напредъкът в науката и технологиите е довел до обширни изследвания на техники за растеж на сапфири, за да се отговори на индустриалните изисквания за по-високо качество на кристалите, подобрени нива на използване и намалени производствени разходи. Появиха се различни нови методи и технологии за отглеждане на сапфирени кристали, като например методът на Чохралски, методът на Киропулос, методът на растеж с филм с дефиниран ръб (EFG) и методът на топлообмен (HEM).
3.1 Метод на Чохралски за отглеждане на сапфирени кристали
Методът на Чохралски, въведен от Й. Чохралски през 1918 г., е известен още като техниката на Чохралски (съкратено метод Cz). През 1964 г. Поладино А.Е. и Ротер Б.Д. за първи път прилагат този метод за отглеждане на сапфирени кристали. Към днешна дата той е произвел голям брой висококачествени сапфирени кристали. Принципът включва разтопяване на суровината, за да се образува стопилка, след което се потапя зародиш на монокристал в повърхността на стопилката. Поради температурната разлика на границата твърдо-течно състояние се получава преохлаждане, което кара стопилката да се втвърди върху повърхността на зародиша и да започне да расте монокристал със същата кристална структура като зародиша. Зародишът бавно се издърпва нагоре, докато се върти с определена скорост. Докато зародишът се издърпва, стопилката постепенно се втвърдява на границата, образувайки монокристал. Този метод, който включва издърпване на кристал от стопилката, е една от често срещаните техники за получаване на висококачествени монокристали.
Предимствата на метода на Чохралски включват: (1) бърза скорост на растеж, позволяваща производството на висококачествени монокристали за кратко време; (2) кристалите растат на повърхността на стопилката без контакт със стената на тигела, което ефективно намалява вътрешното напрежение и подобрява качеството на кристалите. Основен недостатък на този метод обаче е трудността при отглеждането на кристали с голям диаметър, което го прави по-малко подходящ за производство на кристали с големи размери.
3.2 Метод на Киропулос за отглеждане на сапфирени кристали
Методът на Киропулос, изобретен от Киропулос през 1926 г. (съкратено KY метод), има сходства с метода на Чохралски. Той включва потапяне на зародишен кристал в повърхността на стопилката и бавното му издърпване нагоре, за да се образува шийка. След като скоростта на втвърдяване на границата между стопилката и зародиша се стабилизира, зародишът вече не се издърпва или завърта. Вместо това скоростта на охлаждане се контролира, за да се позволи на монокристала да се втвърди постепенно отгоре надолу, като в крайна сметка се образува монокристал.
Процесът на Киропулос произвежда кристали с високо качество, ниска плътност на дефектите, големи размери и благоприятна рентабилност.
3.3 Метод за растеж с филмово захранване (EFG) с дефинирани по ръбове структури за отглеждане на сапфирени кристали
Методът EFG е технология за растеж на оформени кристали. Принципът му включва поставяне на стопилка с висока точка на топене в матрица. Стопилката се изтегля към горната част на матрицата чрез капилярно действие, където контактува със зародишния кристал. С издърпването на зародиша и втвърдяването на стопилката се образува монокристал. Размерът и формата на ръба на матрицата ограничават размерите на кристала. Следователно, този метод има определени ограничения и е подходящ предимно за оформени сапфирени кристали, като тръби и U-образни профили.
3.4 Метод на топлообмен (HEM) за отглеждане на сапфирени кристали
Методът на топлообмен за получаване на сапфирени кристали с големи размери е изобретен от Фред Шмид и Денис през 1967 г. HEM системата се отличава с отлична топлоизолация, независим контрол на температурния градиент в стопилката и кристала и добра управляемост. Тя сравнително лесно произвежда сапфирени кристали с ниска дислокация и големи размери.
Предимствата на метода HEM включват липсата на движение в тигела, кристала и нагревателя по време на растеж, елиминирайки действията на дърпане, като тези при методите на Киропулос и Чохралски. Това намалява човешката намеса и избягва кристални дефекти, причинени от механично движение. Освен това, скоростта на охлаждане може да се контролира, за да се сведе до минимум термичното напрежение и произтичащите от това напукване на кристали и дислокационни дефекти. Този метод позволява растежа на кристали с големи размери, сравнително лесен е за работа и има обещаващи перспективи за развитие.
Използвайки задълбочен опит в растежа на сапфирени кристали и прецизната им обработка, XKH предоставя цялостни персонализирани решения за сапфирени пластини, пригодени за приложения в отбраната, светодиодите и оптоелектрониката. В допълнение към сапфира, ние доставяме пълна гама от високоефективни полупроводникови материали, включително силициево-карбидни (SiC) пластини, силициеви пластини, SiC керамични компоненти и кварцови продукти. Ние гарантираме изключително качество, надеждност и техническа поддръжка за всички материали, помагайки на клиентите да постигнат революционни резултати в напреднали индустриални и изследователски приложения.
Време на публикуване: 29 август 2025 г.