Уже много веков человечеству известны уникальные свойства сапфира. Современные технологии выращивания этого сверхпрочного минерала в промышленных условиях позволили значительно расширить область его применения. Ученые называют искусственный сапфир перспективным материалом, который может стать основой для революционных разработок будущего.
Сапфир представляет собой одну из разновидностей минерала корунда. Наиболее распространенным цветом сапфира считается синий, однако в природе встречаются и другие оттенки – оранжевый, желтый, розовый и зеленый. Такие камни носят название «фантазийных сапфиров». Разноцветность сапфиров обусловлена наличием различных примесей. Чистый корунд, или так называемый лейкосапфир, является бесцветным прозрачным минералом.
Лейкосапфир
Сапфир способен выдерживать самые экстремальные условия - он устойчив к действию повышенных температур, не теряет своих свойств в кипящих растворах агрессивных веществ, а по показателю твердости уступает только алмазу. Сапфир выделяется среди прочих камней своим блеском и прозрачностью, камень отлично пропускает любое излучение. Идея использования этого камня в практических целях пришла человечеству уже давно. Однако природный сапфир – это достаточно дорогой камень небольших размеров, использование которого в промышленных масштабах было бы весьма затруднительно. Именно поэтому около ста лет назад ученым пришла в голову гениальная идея – выращивать монокристаллы сапфира в искусственных условиях. Воплотить идею на практике удалось лишь в начале 21 века. Сегодня область применения сапфира достаточно широка – камень незаменим в производстве линз, офтальмологических скальпелей, иллюминаторов космических кораблей, светодиодных ламп и многих других современных устройств.
Искусственный сапфир
Ученые разрабатывают новые технологии, позволяющие изготавливать сапфир в промышленных масштабах. Большинство выращиваемых кристаллов сапфира имеют вес до 30 килограмм, но поиски способов увеличения размеров искусственных сапфиров по-прежнему продолжается. В ближайшем будущем ученые планируют выращивать сапфиры массой более 100 килограмм. Новые искусственные камни отличаются не только более крупными размерами, но и повышенным качеством.
Классификация методов выращивания кристаллов
-выращивание кристаллов из газовой фазы при градиенте давления;
-выращивание кристаллов из растворов при градиенте концентрации на границе раздела кристалл-раствор;
-выращивание кристаллов из расплава при температурном градиенте;
-выращивание кристаллов в твердой фазе.
Расплавные методы можно разделить на две группы:
-методы выращивания из большего объема расплава: методы горизонтальной направленной кристаллизации, Киропулоса, Чохральского, Стокбаргера – Бриджмена;
- методы выращивания из малого объема расплава: метод Вернейля и зонной плавки.
Методы получения кристаллов делятся на тигельные и безтигельные.
Существуют и используются два наиболее применяемых метода: метод Киропулоса и метод Степанова с использованием ростовых машин.
Метод Степанова
Способ Степанова существенно отличается от других расплавных методов скоростью отвода тепла от зоны кристаллизации, которая обеспечивается при прочих равных условиях большим отношением площади излучающей поверхности к объему кристалла. Высокая скорость отвода тепла позволяет вести процесс выращивания на достаточно больших скоростях.
Метод Степанова для получения профилированного сапфира весьма прост и надежен по целому ряду показателей: на первом этапе разработок для его осуществления пригодно практически любое технологическое оборудование, обеспечивающее получение необходимой температуры: технологическая тепловая зона проста, не требует особой точности при монтаже и сборке; скорость вытягивания можно варьировать в широком интервале значений; требования к качеству исходного сырья достаточно низкие; возможность применения телеконтроля за зоной роста делает процесс весьма воспроизводимым и сводит к минимуму субъективную оценку условий роста; кратковременное нарушение условий роста не приводит, как в других методах, к получению 100% брака.
Одновременное выращивание нескольких профилированных кристаллов, легко реализуемое в этом способе, позволяет увеличить производительность процессов в десятки раз.
Метод Киропулоса
Суть метода, разработанного Киропулосом в 1926 – 1930 гг., заключалась в том, что кристаллы выращивают путем плавного и медленного снижения температуры расплава и изменения теплоотвода от кристалла с помощью охлаждаемого штока. Вначале в расплав, нагретый примерно на 150°С выше Тпл, постепенно вводился холодильник, представляющий собой охлаждаемую металлическую трубку. Затем расплав медленно охлаждался и при достижении температуры, несколько превышающей Тпл, холодильник продувался воздухом. В результате на конце холодильника начиналась кристаллизация с образованием полусферолита. Сферолит извлекался из расплава настолько, чтобы оставшаяся в расплаве часть, была примерно равна диаметру холодильника. В результате создавались благоприятные условия для геометрического отбора зародыша, на котором затем доращивался монокристалл.
Лейкосапфир – монокристаллы оксида алюминия (Al2O3), прозрачная бесцветная разновидность сапфира. Сапфир – один из самых твердых минералов, оптически прозрачен, обладает высокой температурой плавления, исключительно стоек к разрушениям, в том числе в агрессивных средах. Обладает высокой теплопроводностью при низких температурах и рекордно высоким удельным сопротивлением.
Лейкосапфир синтезируется в промышленных масштабах по всему миру. В настоящее время основное применение синтетического лейкосапфира – это изготовление подложек для светодиодов (LED) и интегральных кремниевых микросхем (SoS).
Для выращивания особо чистых монокристаллов сапфира большого размера, пригодных для получения пластин для изготовления подложек с различной ориентацией и других изделий с высокими оптическими свойствами, обычно используют метод Киропулоса. Сырьем для него является порошковый или кристаллический оксид алюминия. Этот сравнительно недорогой метод основан на выращивании кристаллов из расплава. При методе Киропулоса направленная кристаллизация обеспечивается за счет изменения температуры расплава при неподвижном тигле. Постепенное нарастание кристалла в виде полусферы происходит на затравке за счет непрерывного отвода тепла через кристалл с помощью водоохлаждаемого кристаллодержателя. По мере роста кристалл постепенно вытягивают из расплава, вращая его вокруг собственной оси. При выращивании методом Киропулоса диаметр выращиваемого кристалла ограничивается лишь размерами тигля и может достигать 350 см и более. Для снижения остаточных напряжений, приводящих к растрескиванию и поколу, выращенные кристаллы подвергаются послеростовому отжигу в специальных высоковакуумных отжиговых установках.