Krystaly safíru se pěstují z vysoce čistého práškového oxidu hlinitého s čistotou >99,995 %, což z nich činí oblast s největší poptávkou po vysoce čistém oxidu hlinitém. Vykazují vysokou pevnost, vysokou tvrdost a stabilní chemické vlastnosti, což jim umožňuje provoz v náročných podmínkách, jako jsou vysoké teploty, koroze a nárazy. Jsou široce používány v národní obraně, civilních technologiích, mikroelektronice a dalších oblastech.
Od vysoce čistého práškového oxidu hlinitého po safírové krystaly
1Klíčové aplikace safíru
V obranném sektoru se safírové krystaly používají především pro infračervená okna raket. Moderní válka vyžaduje u raket vysokou přesnost a infračervené optické okno je klíčovou součástí pro dosažení tohoto požadavku. Vzhledem k tomu, že rakety jsou během vysokorychlostního letu vystaveny intenzivnímu aerodynamickému teplu a nárazům, spolu s drsným bojovým prostředím, musí mít radom vysokou pevnost, odolnost proti nárazu a schopnost odolávat erozi způsobené pískem, deštěm a dalšími nepříznivými povětrnostními podmínkami. Safírové krystaly se díky své vynikající propustnosti světla, vynikajícím mechanickým vlastnostem a stabilním chemickým vlastnostem staly ideálním materiálem pro infračervená okna raket.
LED substráty představují největší využití safíru. LED osvětlení je považováno za třetí revoluci po zářivkách a energeticky úsporných lampách. Princip LED diod spočívá v přeměně elektrické energie na světelnou energii. Když proud prochází polovodičem, díry a elektrony se spojují a uvolňují přebytečnou energii ve formě světla, což nakonec vytváří osvětlení. Technologie LED čipů je založena na epitaxních destičkách, kde se plynné materiály nanášejí vrstvu po vrstvě na substrát. Mezi hlavní materiály substrátů patří křemíkové substráty, substráty z karbidu křemíku a safírové substráty. Mezi nimi safírové substráty nabízejí oproti ostatním dvěma významné výhody, včetně stability zařízení, vyspělé technologie přípravy, neabsorpce viditelného světla, dobré propustnosti světla a mírné ceny. Data ukazují, že 80 % světových společností vyrábějících LED diody používá safír jako materiál svého substrátu.
Kromě výše zmíněných aplikací se safírové krystaly používají také v obrazovkách mobilních telefonů, zdravotnických prostředcích, zdobení šperků a jako okenní materiály pro různé vědecké detekční přístroje, jako jsou čočky a hranoly.
2. Velikost trhu a vyhlídky
Díky politické podpoře a rozšiřujícím se scénářům použití LED čipů se očekává, že poptávka po safírových substrátech a velikost jejich trhu dosáhnou dvouciferného růstu. Do roku 2025 se předpokládá, že objem dodávek safírových substrátů dosáhne 103 milionů kusů (v přepočtu na 4palcové substráty), což představuje 63% nárůst oproti roku 2021, s průměrnou roční mírou růstu (CAGR) 13 % v letech 2021 až 2025. Očekává se, že velikost trhu se safírovými substráty dosáhne do roku 2025 8 miliard jenů, což představuje 108% nárůst oproti roku 2021, s průměrnou roční mírou růstu 20 % v letech 2021 až 2025. Safírové krystaly, které jsou „předchůdcem“ substrátů, mají zřejmý trend velikosti trhu a růstu.
3. Příprava safírových krystalů
Od roku 1891, kdy francouzský chemik Verneuil A. poprvé vynalezl metodu plamenné fúze k výrobě umělých krystalů drahokamů, trvalo studium růstu umělých safírových krystalů více než století. Během tohoto období pokroky ve vědě a technice vedly k rozsáhlému výzkumu technik růstu safírů, které splňovaly průmyslové požadavky na vyšší kvalitu krystalů, lepší míru využití a nižší výrobní náklady. Objevily se různé nové metody a technologie pro pěstování safírových krystalů, jako je Czochralského metoda, Kyropoulosova metoda, metoda růstu s přívodem filmu s definovanou hranou (EFG) a metoda výměny tepla (HEM).
3.1 Czochralského metoda pro pěstování safírových krystalů
Czochralského metoda, kterou v roce 1918 poprvé zavedl Czochralski J., je také známá jako Czochralského technika (zkráceně Cz metoda). V roce 1964 Poladino AE a Rotter BD poprvé použili tuto metodu k pěstování safírových krystalů. Doposud se jí podařilo vyrobit velké množství vysoce kvalitních safírových krystalů. Princip spočívá v roztavení suroviny za vzniku taveniny a následném ponoření zárodku monokrystalu do povrchu taveniny. V důsledku teplotního rozdílu na rozhraní pevná látka-kapalina dochází k podchlazení, což způsobí, že tavenina na povrchu zárodku ztuhne a začne růst monokrystal se stejnou krystalovou strukturou jako zárodek. Zárodek je pomalu tažen nahoru a zároveň se otáčí určitou rychlostí. Jak je zárodek tažen, tavenina na rozhraní postupně tuhne a vytváří monokrystal. Tato metoda, která zahrnuje vytahování krystalu z taveniny, je jednou z běžných technik pro přípravu vysoce kvalitních monokrystalů.
Mezi výhody Czochralského metody patří: (1) rychlá rychlost růstu, která umožňuje produkci vysoce kvalitních monokrystalů v krátkém čase; (2) krystaly rostou na povrchu taveniny bez kontaktu se stěnou kelímku, což účinně snižuje vnitřní napětí a zlepšuje kvalitu krystalů. Hlavní nevýhodou této metody je však obtížnost pěstování krystalů o velkém průměru, což ji činí méně vhodnou pro výrobu krystalů velkých rozměrů.
3.2 Kyropoulosova metoda pro pěstování safírových krystalů
Kyropoulosova metoda, kterou Kyropoulos vynalezl v roce 1926 (zkráceně KY metoda), sdílí podobnosti s Czochralského metodou. Zahrnuje ponoření zárodečného krystalu do povrchu taveniny a jeho pomalé tažení směrem nahoru, čímž se vytvoří krček. Jakmile se rychlost tuhnutí na rozhraní taveniny a zárodečného krystalu stabilizuje, zárodečný krystal se již netahá ani neotáčí. Místo toho se rychlost ochlazování řídí tak, aby monokrystal postupně tuhl shora dolů a nakonec vytvořil monokrystal.
Kyropoulosův proces produkuje krystaly s vysokou kvalitou, nízkou hustotou defektů, velkými rozměry a příznivou nákladovou efektivitou.
3.3 Metoda růstu s přívodem filmu (EFG) s definovanými hranami pro pěstování safírových krystalů
Metoda EFG je technologie růstu tvarovaných krystalů. Jejím principem je umístění taveniny s vysokým bodem tání do formy. Tavenina je kapilárním působením přitahována k horní části formy, kde se dotýká zárodečného krystalu. Jakmile je zárodek tažen a tavenina tuhne, vzniká monokrystal. Velikost a tvar okraje formy omezují rozměry krystalu. Tato metoda má proto určitá omezení a je vhodná především pro tvarované safírové krystaly, jako jsou trubice a profily ve tvaru U.
3.4 Metoda výměny tepla (HEM) pro pěstování safírových krystalů
Metodu výměny tepla pro přípravu velkých safírových krystalů vynalezli Fred Schmid a Dennis v roce 1967. Systém HEM se vyznačuje vynikající tepelnou izolací, nezávislým řízením teplotního gradientu v tavenině a krystalu a dobrou ovladatelností. Relativně snadno vyrábí safírové krystaly s nízkou dislokací a velkými rozměry.
Mezi výhody metody HEM patří absence pohybu kelímku, krystalu a ohřívače během růstu, čímž se eliminují tažné mechanismy, jako jsou ty u metod Kyropoulose a Czochralského. Tím se snižuje lidský zásah a zabraňuje se defektům krystalů způsobeným mechanickým pohybem. Rychlost chlazení lze navíc regulovat, aby se minimalizovalo tepelné namáhání a výsledné praskání krystalů a dislokační defekty. Tato metoda umožňuje růst krystalů velkých rozměrů, je relativně snadno ovladatelná a má slibné vyhlídky na rozvoj.
Společnost XKH využívá hluboké odborné znalosti v oblasti růstu safírových krystalů a jejich přesného zpracování a poskytuje komplexní zakázková řešení safírových destiček šitá na míru pro obranné, LED a optoelektronické aplikace. Kromě safíru dodáváme celou řadu vysoce výkonných polovodičových materiálů, včetně destiček z karbidu křemíku (SiC), křemíkových destiček, keramických součástek SiC a křemenných produktů. Zajišťujeme výjimečnou kvalitu, spolehlivost a technickou podporu u všech materiálů, což pomáhá zákazníkům dosáhnout průlomového výkonu v pokročilých průmyslových a výzkumných aplikacích.
Čas zveřejnění: 29. srpna 2025