Bạn biết bao nhiêu về sapphire?

Tinh thể sapphiređược trồng từ bột alumina có độ tinh khiết cao với độ tinh khiết hơn 99,995%. Đây là khu vực có nhu cầu lớn nhất về alumina có độ tinh khiết cao. Nó có ưu điểm là độ bền cao, độ cứng cao và tính chất hóa học ổn định. Nó có thể hoạt động trong môi trường khắc nghiệt như nhiệt độ cao, ăn mòn và va đập. Nó được sử dụng rộng rãi trong công nghệ quốc phòng và dân sự, công nghệ vi điện tử và các lĩnh vực khác.

Từ bột alumina có độ tinh khiết cao đến tinh thể sapphire

Ứng dụng chính của sapphire

Chất nền LED là ứng dụng lớn nhất của sapphire. Ứng dụng đèn LED trong chiếu sáng là cuộc cách mạng thứ ba sau đèn huỳnh quang và đèn tiết kiệm năng lượng. Nguyên lý của đèn LED là chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng ánh sáng. Khi dòng điện đi qua chất bán dẫn, các lỗ trống và electron kết hợp với nhau, phần năng lượng dư thừa được giải phóng dưới dạng năng lượng ánh sáng, cuối cùng tạo ra hiệu ứng ánh sáng rực rỡ.Công nghệ chip LEDdựa trêntấm wafer epiticular. Thông qua các lớp vật liệu khí lắng đọng trên đế, vật liệu nền chủ yếu bao gồm đế silicon,chất nền cacbua silicvà chất nền sapphire. Trong số đó, chất nền sapphire có những ưu điểm rõ ràng so với hai phương pháp chất nền còn lại. Ưu điểm của chất nền sapphire chủ yếu thể hiện ở độ ổn định của thiết bị, công nghệ chuẩn bị hoàn thiện, không hấp thụ ánh sáng khả kiến, độ truyền ánh sáng tốt và giá cả vừa phải. Theo dữ liệu, 80% công ty LED trên thế giới sử dụng sapphire làm vật liệu nền.

Ngoài lĩnh vực nêu trên, tinh thể sapphire còn có thể được sử dụng trong màn hình điện thoại di động, thiết bị y tế, trang trí trang sức và các lĩnh vực khác. Ngoài ra, chúng cũng có thể được sử dụng làm vật liệu cửa sổ cho các dụng cụ phát hiện khoa học khác nhau như thấu kính và lăng kính.

Chuẩn bị tinh thể sapphire

Năm 1964, Poladino, AE và Rotter, BD lần đầu tiên áp dụng phương pháp này để nuôi cấy tinh thể sapphire. Cho đến nay, một số lượng lớn tinh thể sapphire chất lượng cao đã được sản xuất. Nguyên tắc là: đầu tiên, nguyên liệu thô được nung nóng đến điểm nóng chảy để tạo thành sự tan chảy, sau đó một hạt tinh thể đơn (tức là tinh thể hạt) được sử dụng để tiếp xúc với bề mặt tan chảy. Do chênh lệch nhiệt độ, bề mặt phân cách rắn-lỏng giữa tinh thể hạt và chất tan chảy bị siêu lạnh, do đó chất tan chảy bắt đầu đông đặc lại trên bề mặt tinh thể hạt và bắt đầu phát triển một tinh thể đơn có cấu trúc tinh thể giống như hạt.tinh thể hạt giống. Đồng thời, tinh thể hạt giống được từ từ kéo lên trên và quay với một tốc độ nhất định. Khi tinh thể mầm được kéo ra, chất tan chảy dần dần đông đặc lại ở bề mặt phân cách rắn-lỏng, và sau đó một tinh thể đơn lẻ được hình thành. Đây là một phương pháp phát triển các tinh thể từ sự tan chảy bằng cách kéo một tinh thể hạt giống, có thể tạo ra các tinh thể đơn chất lượng cao từ sự tan chảy. Đây là một trong những phương pháp tăng trưởng tinh thể thường được sử dụng.

Ưu điểm của việc sử dụng phương pháp Czochralski để phát triển tinh thể là:

(1) tốc độ tăng trưởng nhanh và các tinh thể đơn chất lượng cao có thể được phát triển trong một khoảng thời gian ngắn; 

(2) tinh thể phát triển trên bề mặt nóng chảy và không tiếp xúc với thành nồi nấu kim loại, điều này có thể làm giảm ứng suất bên trong của tinh thể một cách hiệu quả và cải thiện chất lượng tinh thể. 

Tuy nhiên, nhược điểm lớn của phương pháp nuôi tinh thể này là đường kính của tinh thể có thể phát triển nhỏ, không có lợi cho sự phát triển của các tinh thể có kích thước lớn.

Phương pháp Kyropoulos để phát triển tinh thể sapphire

Phương pháp Kyropoulos do Kyropouls phát minh vào năm 1926, được gọi là phương pháp KY. Nguyên lý của nó tương tự như phương pháp Czochralski, tức là tinh thể mầm được tiếp xúc với bề mặt nóng chảy và sau đó từ từ kéo lên trên. Tuy nhiên, sau khi tinh thể hạt được kéo lên trên trong một khoảng thời gian để tạo thành cổ tinh thể, tinh thể hạt không còn bị kéo lên hoặc quay sau khi tốc độ đông đặc của giao diện giữa chất tan chảy và tinh thể hạt ổn định. Tinh thể đơn được đông cứng dần dần từ trên xuống dưới bằng cách kiểm soát tốc độ làm mát và cuối cùng là mộttinh thể đơnđược hình thành.

Các sản phẩm được tạo ra từ quy trình nghiền nhỏ có đặc điểm là chất lượng cao, mật độ khuyết tật thấp, kích thước lớn và hiệu quả chi phí tốt hơn.

Tăng trưởng tinh thể sapphire bằng phương pháp khuôn hướng dẫn

Là một công nghệ phát triển tinh thể đặc biệt, phương pháp khuôn dẫn hướng được sử dụng theo nguyên tắc sau: bằng cách đặt chất tan chảy có điểm nóng chảy cao vào khuôn, chất tan chảy được hút vào khuôn nhờ hoạt động mao dẫn của khuôn để đạt được sự tiếp xúc với tinh thể hạt giống và một tinh thể đơn có thể được hình thành trong quá trình kéo tinh thể hạt và đông đặc liên tục. Đồng thời, kích thước cạnh và hình dạng của khuôn có những hạn chế nhất định về kích thước tinh thể. Do đó, phương pháp này có những hạn chế nhất định trong quá trình ứng dụng và chỉ áp dụng được cho các tinh thể sapphire có hình dạng đặc biệt như hình ống và hình chữ U.

Tăng trưởng tinh thể sapphire bằng phương pháp trao đổi nhiệt

Phương pháp trao đổi nhiệt để điều chế tinh thể sapphire kích thước lớn được Fred Schmid và Dennis phát minh vào năm 1967. Phương pháp trao đổi nhiệt có tác dụng cách nhiệt tốt, có thể kiểm soát độc lập gradient nhiệt độ của chất nóng chảy và tinh thể, có khả năng kiểm soát tốt và dễ dàng phát triển các tinh thể sapphire hơn với độ lệch thấp và kích thước lớn.

Ưu điểm của việc sử dụng phương pháp trao đổi nhiệt để phát triển tinh thể sapphire là nồi nấu kim loại, tinh thể và lò sưởi không di chuyển trong quá trình phát triển tinh thể, loại bỏ tác động kéo giãn của phương pháp kyvo và phương pháp kéo, giảm các yếu tố can thiệp của con người và do đó tránh được tinh thể. khuyết tật do chuyển động cơ học; đồng thời, tốc độ làm mát có thể được kiểm soát để giảm ứng suất nhiệt của tinh thể và dẫn đến các khuyết tật về nứt và trật khớp tinh thể, đồng thời có thể phát triển các tinh thể lớn hơn. Nó dễ vận hành hơn và có triển vọng phát triển tốt.

Nguồn tham khảo:

[1] Chu Chấn Phong. Nghiên cứu hình thái bề mặt và sự phá hủy vết nứt của tinh thể sapphire bằng phương pháp cắt dây kim cương

[2] Thường Huy. Nghiên cứu ứng dụng công nghệ tăng trưởng tinh thể sapphire kích thước lớn

[3] Trương Học Bình. Nghiên cứu sự phát triển của tinh thể sapphire và ứng dụng LED

[4] Lưu Kiệt. Tổng quan về các phương pháp và đặc điểm điều chế tinh thể sapphire