Els cristalls de safir es cultiven a partir de pols d'alúmina d'alta puresa amb una puresa superior al 99,995%, cosa que els converteix en la zona de major demanda d'alúmina d'alta puresa. Presenten una alta resistència, una alta duresa i propietats químiques estables, cosa que els permet funcionar en entorns difícils com ara altes temperatures, corrosió i impactes. S'utilitzen àmpliament en defensa nacional, tecnologia civil, microelectrònica i altres camps.
Des de pols d'alúmina d'alta puresa fins a cristalls de safir
1Aplicacions clau del safir
En el sector de la defensa, els cristalls de safir s'utilitzen principalment per a finestres infraroges de míssils. La guerra moderna exigeix una alta precisió en els míssils, i la finestra òptica infraroja és un component crític per aconseguir aquest requisit. Tenint en compte que els míssils experimenten una calor aerodinàmica intensa i impactes durant el vol d'alta velocitat, juntament amb entorns de combat durs, el radome ha de posseir una alta resistència, resistència a l'impacte i la capacitat de suportar l'erosió de la sorra, la pluja i altres condicions meteorològiques severes. Els cristalls de safir, amb la seva excel·lent transmissió de llum, propietats mecàniques superiors i característiques químiques estables, s'han convertit en un material ideal per a finestres infraroges de míssils.
Els substrats LED representen l'aplicació més gran del safir. La il·luminació LED es considera la tercera revolució després de les làmpades fluorescents i de baix consum. El principi dels LED consisteix a convertir l'energia elèctrica en energia lumínica. Quan el corrent passa a través d'un semiconductor, els forats i els electrons es combinen, alliberant l'excés d'energia en forma de llum, produint finalment il·luminació. La tecnologia de xips LED es basa en oblies epitaxials, on els materials gasosos es dipositen capa per capa sobre un substrat. Els principals materials del substrat inclouen substrats de silici, substrats de carbur de silici i substrats de safir. Entre aquests, els substrats de safir ofereixen avantatges significatius respecte als altres dos, com ara l'estabilitat del dispositiu, la tecnologia de preparació madura, la no absorció de la llum visible, la bona transmitància de la llum i un cost moderat. Les dades mostren que el 80% de les empreses globals de LED utilitzen el safir com a material de substrat.
A més de les aplicacions esmentades, els cristalls de safir també s'utilitzen en pantalles de telèfons mòbils, dispositius mèdics, decoració de joies i com a materials de finestres per a diversos instruments de detecció científica com ara lents i prismes.
2. Mida del mercat i perspectives
Impulsada pel suport polític i els escenaris d'aplicació en expansió dels xips LED, s'espera que la demanda de substrats de safir i la seva mida de mercat aconsegueixin un creixement de dos dígits. Es preveu que el volum d'enviaments de substrats de safir arribi als 103 milions d'unitats (convertides a substrats de 4 polzades) per al 2025, cosa que representa un augment del 63% en comparació amb el 2021, amb una taxa de creixement anual composta (CAGR) del 13% del 2021 al 2025. Es preveu que la mida del mercat dels substrats de safir arribi als 8.000 milions de iens per al 2025, un augment del 108% en comparació amb el 2021, amb una CAGR del 20% del 2021 al 2025. Com a "precursor" dels substrats, la mida del mercat i la tendència de creixement dels cristalls de safir són evidents.
3. Preparació de cristalls de safir
Des del 1891, quan el químic francès Verneuil A. va inventar el mètode de fusió amb flama per produir cristalls de gemmes artificials per primera vegada, l'estudi del creixement artificial del cristall de safir ha abastat més d'un segle. Durant aquest període, els avenços en la ciència i la tecnologia han impulsat una extensa investigació sobre les tècniques de creixement del safir per satisfer les demandes industrials d'una major qualitat de cristall, taxes d'utilització millorades i costos de producció reduïts. Han sorgit diversos mètodes i tecnologies nous per al creixement de cristalls de safir, com ara el mètode Czochralski, el mètode Kyropoulos, el mètode de creixement alimentat per pel·lícula definida per vores (EFG) i el mètode d'intercanvi de calor (HEM).
3.1 Mètode de Czochralski per al creixement de cristalls de safir
El mètode Czochralski, iniciat per Czochralski J. el 1918, també es coneix com la tècnica de Czochralski (abreujada com a mètode Cz). El 1964, Poladino AE i Rotter BD van aplicar per primera vegada aquest mètode per fer créixer cristalls de safir. Fins ara, ha produït un gran nombre de cristalls de safir d'alta qualitat. El principi consisteix a fondre la matèria primera per formar una fosa i després submergir una llavor de monocristall a la superfície de la fosa. A causa de la diferència de temperatura a la interfície sòlid-líquid, es produeix un superrefredament, que fa que la fosa se solidifiqui a la superfície de la llavor i comenci a créixer un monocristall amb la mateixa estructura cristal·lina que la llavor. La llavor s'estira lentament cap amunt mentre gira a una certa velocitat. A mesura que s'estira la llavor, la fosa se solidifica gradualment a la interfície, formant un monocristall. Aquest mètode, que consisteix a extreure un cristall de la fosa, és una de les tècniques habituals per preparar monocristalls d'alta qualitat.
Els avantatges del mètode Czochralski inclouen: (1) una ràpida taxa de creixement, que permet la producció de monocristalls d'alta qualitat en poc temps; (2) els cristalls creixen a la superfície de la fosa sense contacte amb la paret del gresol, cosa que redueix eficaçment la tensió interna i millora la qualitat del cristall. Tanmateix, un inconvenient important d'aquest mètode és la dificultat per fer créixer cristalls de gran diàmetre, cosa que el fa menys adequat per produir cristalls de grans dimensions.
3.2 Mètode Kyropoulos per al creixement de cristalls de safir
El mètode Kyropoulos, inventat per Kyropoulos el 1926 (abreujat com a mètode KY), comparteix similituds amb el mètode Czochralski. Consisteix a submergir un cristall sembra a la superfície de la fosa i estirar-lo lentament cap amunt per formar un coll. Un cop la velocitat de solidificació a la interfície fosa-llavor s'estabilitza, la llavor ja no s'estira ni es gira. En canvi, la velocitat de refredament es controla per permetre que el monocristall se solidifiqui gradualment de dalt a baix, formant finalment un monocristall.
El procés Kyropoulos produeix cristalls d'alta qualitat, baixa densitat de defectes, grans dimensions i amb una bona relació qualitat-preu.
3.3 Mètode de creixement de pel·lícula alimentada per vores definides (EFG) per al creixement de cristalls de safir
El mètode EFG és una tecnologia de creixement de cristalls modelats. El seu principi consisteix a col·locar una massa fosa d'alt punt de fusió en un motlle. La massa fosa s'extreu a la part superior del motlle per acció capil·lar, on entra en contacte amb el cristall sembra. A mesura que s'extreu la llavor i la massa fosa se solidifica, es forma un monocristall. La mida i la forma de la vora del motlle restringeixen les dimensions del cristall. En conseqüència, aquest mètode té certes limitacions i és principalment adequat per a cristalls de safir modelats, com ara tubs i perfils en forma d'U.
3.4 Mètode d'intercanvi de calor (HEM) per al creixement de cristalls de safir
El mètode d'intercanvi de calor per a la preparació de cristalls de safir de grans dimensions va ser inventat per Fred Schmid i Dennis el 1967. El sistema HEM presenta un excel·lent aïllament tèrmic, un control independent del gradient de temperatura a la fosa i al cristall, i una bona controlabilitat. Produeix amb relativa facilitat cristalls de safir amb baixa dislocació i grans dimensions.
Els avantatges del mètode HEM inclouen l'absència de moviment al gresol, al cristall i a l'escalfador durant el creixement, eliminant les accions d'estirament com les dels mètodes de Kyropoulos i Czochralski. Això redueix la interferència humana i evita els defectes del cristall causats pel moviment mecànic. A més, la velocitat de refredament es pot controlar per minimitzar l'estrès tèrmic i els defectes resultants de trencament i dislocació del cristall. Aquest mètode permet el creixement de cristalls de grans dimensions, és relativament fàcil d'operar i té perspectives de desenvolupament prometedores.
Aprofitant la seva àmplia experiència en el creixement del cristall de safir i el processament de precisió, XKH ofereix solucions completes d'oblies de safir personalitzades per a aplicacions de defensa, LED i optoelectrònica. A més del safir, subministrem una gamma completa de materials semiconductors d'alt rendiment, incloent-hi oblies de carbur de silici (SiC), oblies de silici, components ceràmics de SiC i productes de quars. Garantim una qualitat, fiabilitat i suport tècnic excepcionals en tots els materials, ajudant els clients a aconseguir un rendiment innovador en aplicacions industrials i de recerca avançades.
Data de publicació: 29 d'agost de 2025