Quanto sai dello zaffiro?

Vetro zaffiroviene coltivato da polvere di allumina ad alta purezza con una purezza superiore al 99,995%. È la più grande area di domanda di allumina di elevata purezza. Presenta i vantaggi di elevata resistenza, elevata durezza e proprietà chimiche stabili. Può funzionare in ambienti difficili come alte temperature, corrosione e urti. È ampiamente utilizzato nella tecnologia civile e di difesa, nella tecnologia microelettronica e in altri campi.

Dalla polvere di allumina di elevata purezza al vetro zaffiro

Principali applicazioni dello zaffiro

Il substrato LED è la più grande applicazione dello zaffiro. L'applicazione dei LED nell'illuminazione rappresenta la terza rivoluzione dopo le lampade fluorescenti e le lampade a risparmio energetico. Il principio del LED è convertire l'energia elettrica in energia luminosa. Quando la corrente passa attraverso il semiconduttore, le lacune e gli elettroni si combinano e l'energia in eccesso viene rilasciata come energia luminosa, producendo infine l'effetto dell'illuminazione luminosa.Tecnologia dei chip LEDè basato suwafer epitassiali. Attraverso strati di materiali gassosi depositati sul substrato, i materiali del substrato includono principalmente substrato di silicio,substrato di carburo di silicioe substrato di zaffiro. Tra questi, il substrato in zaffiro presenta evidenti vantaggi rispetto agli altri due metodi di substrato. I vantaggi del substrato in zaffiro si riflettono principalmente nella stabilità del dispositivo, nella tecnologia di preparazione matura, nel non assorbimento della luce visibile, nella buona trasmissione della luce e nel prezzo moderato. Secondo i dati, l’80% delle aziende LED nel mondo utilizza lo zaffiro come materiale di substrato.

Oltre ai settori sopra menzionati, i cristalli di zaffiro possono essere utilizzati anche negli schermi dei telefoni cellulari, nelle apparecchiature mediche, nella decorazione di gioielli e in altri settori. Inoltre possono essere utilizzati anche come materiali per finestre per vari strumenti di rilevamento scientifico come lenti e prismi.

Preparazione dei cristalli di zaffiro

Nel 1964, Poladino, AE e Rotter, BD applicarono per primi questo metodo alla crescita dei cristalli di zaffiro. Finora è stato prodotto un gran numero di cristalli di zaffiro di alta qualità. Il principio è: in primo luogo, le materie prime vengono riscaldate fino al punto di fusione per formare una massa fusa, quindi un seme di cristallo singolo (cioè il seme di cristallo) viene utilizzato per entrare in contatto con la superficie della massa fusa. A causa della differenza di temperatura, l'interfaccia solido-liquido tra il cristallo seme e la massa fusa viene superraffreddata, quindi la massa fusa inizia a solidificarsi sulla superficie del cristallo seme e inizia a far crescere un singolo cristallo con la stessa struttura cristallina del cristallo seme.cristallo di seme. Allo stesso tempo, il cristallo seme viene lentamente tirato verso l'alto e ruotato ad una certa velocità. Quando il cristallo seme viene estratto, la massa fusa si solidifica gradualmente nell'interfaccia solido-liquido e quindi si forma un singolo cristallo. Questo è un metodo per far crescere i cristalli da una fusione estraendo un cristallo seme, che può preparare cristalli singoli di alta qualità dalla fusione. È uno dei metodi di crescita dei cristalli comunemente usati.

I vantaggi dell’utilizzo del metodo Czochralski per coltivare i cristalli sono:

(1) il tasso di crescita è rapido e i singoli cristalli di alta qualità possono essere coltivati ​​in un breve periodo di tempo; 

(2) il cristallo cresce sulla superficie della fusione e non entra in contatto con la parete del crogiolo, il che può ridurre efficacemente lo stress interno del cristallo e migliorare la qualità del cristallo. 

Tuttavia, uno dei principali svantaggi di questo metodo di crescita dei cristalli è che il diametro del cristallo che può essere coltivato è piccolo, il che non favorisce la crescita di cristalli di grandi dimensioni.

Metodo Kyropoulos per la coltivazione dei cristalli di zaffiro

Il metodo Kyropoulos, inventato da Kyropouls nel 1926, è denominato metodo KY. Il suo principio è simile a quello del metodo Czochralski, ovvero il seme di cristallo viene portato a contatto con la superficie della massa fusa e poi lentamente tirato verso l'alto. Tuttavia, dopo che il cristallo seme è stato tirato verso l'alto per un periodo di tempo per formare un collo di cristallo, il cristallo seme non viene più sollevato o ruotato dopo che la velocità di solidificazione dell'interfaccia tra la massa fusa e il cristallo seme è stabile. Il singolo cristallo viene gradualmente solidificato dall'alto verso il basso controllando la velocità di raffreddamento, e infine acristallo singoloè formato.

I prodotti realizzati dal processo di crocchettatura hanno le caratteristiche di alta qualità, bassa densità di difetti, grandi dimensioni e migliore rapporto costo-efficacia.

Crescita dei cristalli di zaffiro mediante metodo dello stampo guidato

Essendo una speciale tecnologia di crescita dei cristalli, il metodo dello stampo guidato viene utilizzato secondo il seguente principio: inserendo nello stampo una massa fusa ad alto punto di fusione, la massa fusa viene aspirata sullo stampo dall'azione capillare dello stampo per ottenere il contatto con il cristallo seme e un singolo cristallo può formarsi durante l'estrazione del cristallo seme e la solidificazione continua. Allo stesso tempo, la dimensione del bordo e la forma dello stampo presentano alcune restrizioni sulla dimensione del cristallo. Pertanto, questo metodo presenta alcune limitazioni nel processo di applicazione ed è applicabile solo a cristalli di zaffiro dalla forma speciale, come quelli tubolari e a forma di U.

Crescita dei cristalli di zaffiro mediante il metodo dello scambio di calore

Il metodo dello scambio di calore per preparare cristalli di zaffiro di grandi dimensioni è stato inventato da Fred Schmid e Dennis nel 1967. Il metodo dello scambio di calore ha un buon effetto di isolamento termico, può controllare in modo indipendente il gradiente di temperatura della massa fusa e del cristallo, ha una buona controllabilità ed è cristalli di zaffiro più facili da coltivare con bassa dislocazione e grandi dimensioni.

Il vantaggio di utilizzare il metodo dello scambio di calore per far crescere i cristalli di zaffiro è che il crogiolo, il cristallo e il riscaldatore non si muovono durante la crescita dei cristalli, eliminando l'azione di allungamento del metodo Kyvo e del metodo di estrazione, riducendo i fattori di interferenza umana ed evitando così che i cristalli difetti causati da movimenti meccanici; allo stesso tempo, la velocità di raffreddamento può essere controllata per ridurre lo stress termico del cristallo e i conseguenti difetti di rottura e dislocazione del cristallo e può far crescere cristalli più grandi. È più facile da gestire e ha buone prospettive di sviluppo.

Fonti di riferimento:

[1]ZhuZhenfeng. Ricerca sulla morfologia superficiale e sul danneggiamento delle cricche dei cristalli di zaffiro mediante taglio con sega a filo diamantato

[2] Chang Hui. Ricerca applicativa sulla tecnologia di crescita dei cristalli di zaffiro di grandi dimensioni

[3] Zhang Xueping. Ricerca sulla crescita dei cristalli di zaffiro e sull'applicazione dei LED

[4] Liu Jie. Panoramica dei metodi e delle caratteristiche di preparazione del cristallo di zaffiro