Safiirikiteet kasvatetaan erittäin puhtaasta alumiinioksidijauheesta, jonka puhtaus on yli 99,995 %, mikä tekee niistä erittäin puhtaan alumiinioksidin kysytyimmän alueen. Niillä on korkea lujuus, korkea kovuus ja vakaat kemialliset ominaisuudet, minkä ansiosta ne kestävät ankaria ympäristöjä, kuten korkeita lämpötiloja, korroosiota ja iskuja. Niitä käytetään laajalti maanpuolustuksessa, siviiliteknologiassa, mikroelektroniikassa ja muilla aloilla.
Korkean puhtauden alumiinioksidijauheesta safiirikiteiksi
1Safiirin tärkeimmät sovellukset
Puolustusalalla safiirikiteitä käytetään pääasiassa ohjusten infrapunaikkunoissa. Nykyaikainen sodankäynti vaatii ohjuksilta suurta tarkkuutta, ja infrapunaoptinen ikkuna on kriittinen komponentti tämän vaatimuksen saavuttamiseksi. Ottaen huomioon, että ohjukset altistuvat voimakkaalle aerodynaamiselle kuumuudelle ja iskuille suurnopeuksisen lennon aikana sekä ankarissa taisteluolosuhteissa, tutkan on oltava erittäin luja, iskunkestävä ja kestävä hiekan, sateen ja muiden ankarien sääolosuhteiden aiheuttamaa eroosiota. Safiirikiteistä, joilla on erinomainen valonläpäisykyky, erinomaiset mekaaniset ominaisuudet ja vakaat kemialliset ominaisuudet, on tullut ihanteellinen materiaali ohjusten infrapunaikkunoihin.
LED-alustat edustavat safiirin laajinta sovellusta. LED-valaistusta pidetään kolmantena vallankumouksena loisteputkien ja energiansäästölamppujen jälkeen. LEDien periaatteena on sähköenergian muuntaminen valoenergiaksi. Kun virta kulkee puolijohteen läpi, aukot ja elektronit yhdistyvät vapauttaen ylimääräistä energiaa valon muodossa ja lopulta tuottavat valaistusta. LED-sirutekniikka perustuu epitaksiaalisiin kiekkoihin, joissa kaasumaiset materiaalit kerrostetaan kerros kerrokselta alustalle. Tärkeimpiä alustamateriaaleja ovat piialustat, piikarbidialustat ja safiirisubstraatit. Näistä safiirisubstraatit tarjoavat merkittäviä etuja kahteen muuhun verrattuna, mukaan lukien laitteen stabiilius, kypsä valmistustekniikka, näkyvän valon imeytymättömyys, hyvä valonläpäisykyky ja kohtuulliset kustannukset. Tiedot osoittavat, että 80 % maailmanlaajuisista LED-yrityksistä käyttää safiiria alustamateriaalinaan.
Edellä mainittujen sovellusten lisäksi safiirikideitä käytetään myös matkapuhelinten näytöissä, lääkinnällisissä laitteissa, korujen koristelussa ja ikkunamateriaaleina erilaisissa tieteellisissä ilmaisinlaitteissa, kuten linsseissä ja prismoissa.
2. Markkinoiden koko ja näkymät
Poliittisen tuen ja LED-sirujen laajenevien sovellusskenaarioiden ansiosta safiirisubstraattien kysynnän ja niiden markkinakoon odotetaan kasvavan kaksinumeroisin luvuin. Vuoteen 2025 mennessä safiirisubstraattien toimitusmäärän ennustetaan nousevan 103 miljoonaan kappaleeseen (muunnetuna 4-tuumaisiksi substraateiksi), mikä on 63 % enemmän kuin vuonna 2021 ja 13 % vuotuinen kasvuvauhti vuosina 2021–2025. Safiirisubstraattien markkinoiden koon odotetaan nousevan 8 miljardiin jeniin vuoteen 2025 mennessä, mikä on 108 % enemmän kuin vuonna 2021 ja 20 % vuotuinen kasvuvauhti vuosina 2021–2025. Substraattien "edeltäjänä" safiirikiteiden markkinakoko ja kasvutrendi ovat ilmeisiä.
3. Safiirikiteiden valmistus
Vuodesta 1891, jolloin ranskalainen kemisti Verneuil A. keksi ensimmäisen kerran liekkifuusiomenetelmän keinotekoisten jalokivikiteiden tuottamiseksi, keinotekoisten safiirien kasvatusta on tutkittu yli vuosisadan ajan. Tänä aikana tieteen ja teknologian kehitys on vauhdittanut laajaa safiirien kasvatustekniikoiden tutkimusta, jotta voidaan vastata teollisuuden vaatimuksiin korkeamman kiteiden laadun, paremman käyttöasteen ja alempien tuotantokustannusten suhteen. Safiirien kasvattamiseen on syntynyt useita uusia menetelmiä ja teknologioita, kuten Czochralskin menetelmä, Kyropoulosin menetelmä, reunamääritelty kalvokasvatusmenetelmä (EFG) ja lämmönvaihtomenetelmä (HEM).
3.1 Czochralskin menetelmä safiirikiteiden kasvattamiseen
Czochralski J.:n vuonna 1918 kehittämä Czochralski-menetelmä tunnetaan myös nimellä Czochralski-tekniikka (lyhennettynä Cz-menetelmä). Vuonna 1964 Poladino AE ja Rotter BD sovelsivat tätä menetelmää ensimmäisenä safiirikiteiden kasvattamiseen. Tähän mennessä menetelmällä on tuotettu suuri määrä korkealaatuisia safiirikiteitä. Periaatteena on raaka-aineen sulattaminen sulaksi, minkä jälkeen yksittäiskiteen siemen upotetaan sulan pintaan. Kiinteän aineen ja nesteen rajapinnan lämpötilaeron vuoksi tapahtuu alijäähtymistä, minkä seurauksena sula jähmettyy siemenen pinnalle ja alkaa kasvattaa yksittäiskitettä, jolla on sama kiderakenne kuin siemenellä. Siementä vedetään hitaasti ylöspäin samalla pyörien tietyllä nopeudella. Siemenen vetämisen aikana sula jähmettyy vähitellen rajapinnalle muodostaen yksittäiskiteen. Tämä menetelmä, jossa kide vedetään sulasta, on yksi yleisimmistä tekniikoista korkealaatuisten yksittäiskiteiden valmistamiseksi.
Czochralski-menetelmän etuihin kuuluvat: (1) nopea kasvunopeus, joka mahdollistaa korkealaatuisten yksittäiskiteiden tuotannon lyhyessä ajassa; (2) kiteet kasvavat sulan pinnalla ilman kosketusta upokkaan seinämään, mikä vähentää tehokkaasti sisäistä jännitystä ja parantaa kiteiden laatua. Tämän menetelmän merkittävä haittapuoli on kuitenkin vaikeus kasvattaa suuriläpimittaisia kiteitä, minkä vuoksi se ei sovellu yhtä hyvin suurikokoisten kiteiden tuotantoon.
3.2 Kyropouloksen menetelmä safiirikiteiden kasvattamiseen
Kyropoulosin vuonna 1926 keksimä Kyropoulosin menetelmä (lyhennettynä KY-menetelmä) muistuttaa paljon Czochralskin menetelmää. Siinä siemenkide upotetaan sulan pintaan ja sitä vedetään hitaasti ylöspäin kaulan muodostamiseksi. Kun jähmettymisnopeus sulan ja siemenen rajapinnalla vakiintuu, siementä ei enää vedetä tai pyöritetä. Sen sijaan jäähdytysnopeutta säädetään, jotta yksittäinen kide jähmettyy vähitellen ylhäältä alaspäin, jolloin lopulta muodostuu yksi kide.
Kyropoulos-prosessi tuottaa korkealaatuisia, virhetiheydeltään pieniä, suuria ja kustannustehokkaita kiteitä.
3.3 Reunamääritelty kalvosyöttöinen kasvatusmenetelmä (EFG) safiirikiteiden kasvattamiseen
EFG-menetelmä on muotoiltujen kiteiden kasvatustekniikka. Sen periaatteena on korkean sulamispisteen omaavan sulan sijoittaminen muottiin. Sula vedetään muotin yläosaan kapillaari-ilmiön avulla, missä se koskettaa siemenkitettä. Kun siemen vedetään ulos ja sula jähmettyy, muodostuu yksittäinen kide. Muotin reunan koko ja muoto rajoittavat kiteen mittoja. Tästä johtuen tällä menetelmällä on tiettyjä rajoituksia, ja se soveltuu ensisijaisesti muotoilluille safiirikiteille, kuten putkille ja U-muotoisille profiileille.
3.4 Lämmönvaihtomenetelmä (HEM) safiirikiteiden kasvattamiseen
Fred Schmid ja Dennis keksivät lämmönvaihtomenetelmän suurten safiirikiteiden valmistamiseksi vuonna 1967. HEM-järjestelmälle on ominaista erinomainen lämmöneristys, sulan ja kiteen lämpötilagradientin itsenäinen säätö sekä hyvä hallittavuus. Se tuottaa suhteellisen helposti safiirikiteitä, joilla on pieni dislokaatio ja suuria kokoja.
HEM-menetelmän etuihin kuuluu liikkeen puuttuminen upokkaassa, kiteessä ja lämmittimessä kasvun aikana, mikä eliminoi vetämisen, kuten Kyropoulosin ja Czochralskin menetelmissä. Tämä vähentää ihmisen puuttumista asiaan ja välttää mekaanisen liikkeen aiheuttamat kidevirheet. Lisäksi jäähdytysnopeutta voidaan säätää lämpöjännityksen ja siitä johtuvien kiteiden halkeilu- ja dislokaatiovirheiden minimoimiseksi. Tämä menetelmä mahdollistaa suurten kiteiden kasvun, on suhteellisen helppo käyttää ja sillä on lupaavia kehitysnäkymiä.
XKH hyödyntää syvällistä asiantuntemustaan safiirikiteiden kasvatuksessa ja tarkkuuskäsittelyssä ja tarjoaa räätälöityjä kokonaisvaltaisia safiirikiekkoratkaisuja puolustus-, LED- ja optoelektroniikan sovelluksiin. Safiirin lisäksi toimitamme täyden valikoiman korkean suorituskyvyn puolijohdemateriaaleja, kuten piikarbidi- (SiC) kiekkoja, piikiekkoja, SiC-keraamisia komponentteja ja kvartsituotteita. Varmistamme poikkeuksellisen laadun, luotettavuuden ja teknisen tuen kaikille materiaaleille ja autamme asiakkaita saavuttamaan läpimurron edistyneissä teollisuus- ja tutkimussovelluksissa.
Julkaisuaika: 29.8.2025