Zaawansowane materiały szafirowe i aluminowe napędzają innowacje technologiczne

W dzisiejszym, szybko ewoluującym krajobrazie technologicznym, dobór materiałów odgrywa kluczową rolę w określaniu sukcesu projektów inżynieryjnych. Trzy materiały na bazie tlenku glinu (Al₂O₃) – szafir, tlenek glinu i rubin – stały się kluczowymi komponentami w różnych zaawansowanych technologicznie zastosowaniach, z których każdy oferuje unikalne właściwości strukturalne, optyczne i funkcjonalne.

Jednokryształowy szafir, najczystsza forma tlenku glinu, stał się niezbędny w produkcji diod elektroluminescencyjnych (LED) ze względu na swoje wyjątkowe właściwości:

Produkcja wysokowydajnych diod LED opiera się na wzroście epitaksjalnym – precyzyjnym osadzaniu warstw azotku galu (GaN) na powierzchniach podłoży. Struktura krystaliczna szafiru zapewnia niemal idealne dopasowanie sieciowe do GaN, umożliwiając wzrost wysokiej jakości, nisko-defektowych warstw półprzewodnikowych, niezbędnych do optymalnej wydajności LED.

Szafir wykazuje wyjątkową przezroczystość w szerokim spektrum od ultrafioletu do podczerwieni. Ta charakterystyka pozwala fotonom generowanym przez LED przechodzić przez podłoże z minimalną absorpcją, co skutkuje wyższą skutecznością świetlną i jasnością.

Utrzymując integralność strukturalną w temperaturach przekraczających 1000°C, podłoża szafirowe zapewniają stabilne warunki dla wysokotemperaturowych procesów wzrostu epitaksjalnego, fundamentalnych dla produkcji LED.

Oprócz diod LED, szafir znajduje zastosowanie w optyce laserowej, precyzyjnych instrumentach oraz jako osłony ochronne dla wysokiej klasy elektroniki użytkowej ze względu na swoją wyjątkową twardość (9 w skali Mohsa) i odporność na zarysowania.

Polikrystaliczny tlenek glinu, wytwarzany w procesach spiekania proszków, oferuje wyraźne korzyści w zastosowaniach elektronicznych:

Dzięki znacznie niższym kosztom produkcji w porównaniu z jednokryształowym szafirem, podłoża z tlenku glinu stały się standardowym wyborem dla płytek obwodów elektronicznych i modułów zasilania, gdzie wymagane są duże powierzchnie.

Doskonałe właściwości dielektryczne tlenku glinu skutecznie izolują ścieżki przewodzące, zapobiegając upływowi prądu i zwarciom w urządzeniach elektronicznych.

Chociaż nie dorównuje przewodnictwu cieplnemu specjalistycznych materiałów, takich jak azotek glinu, tlenek glinu zapewnia optymalną równowagę między zdolnościami rozpraszania ciepła a ekonomią produkcji dla większości zastosowań w elektronice mocy.

Zgodność materiału ze standardowymi technikami obróbki i druku ułatwia produkcję obwodów grubowarstwowych, komponentów mikrofalowych i różnych urządzeń elektronicznych mocy w różnych branżach, od elektroniki użytkowej po systemy motoryzacyjne.

Tlenek glinu domieszkowany chromem (rubin) zajmuje specjalistyczną niszę w zastosowaniach fotonicznych:

Włączenie jonów Cr³⁺ umożliwia rubinowi absorpcję energii pompowania i emisję spójnego czerwonego światła o długości fali 694 nm, co czyni go aktywnym medium w pierwszym zademonstrowanym systemie laserowym i nadal służy specjalistycznym zastosowaniom laserowym.

Dziedzicząc twardość mechaniczną i stabilność chemiczną szafiru, rubin zachowuje niezawodność działania w intensywnych warunkach wymaganych do pracy lasera.

Chociaż specjalistyczne właściwości optyczne rubinu ograniczają jego zastosowanie w diodach LED lub zastosowaniach elektronicznych, pozostaje on wartościowy dla niektórych systemów laserowych, czujników optycznych i precyzyjnych instrumentów pomiarowych.

Wybór między tymi wariantami tlenku glinu zależy od specyficznych wymagań aplikacji:

• Szafir wyróżnia się tam, gdzie doskonałość krystaliczna i przezroczystość optyczna są najważniejsze, szczególnie w urządzeniach optoelektronicznych.
• Tlenek glinu dominuje w zastosowaniach elektronicznych wymagających ekonomicznej izolacji elektrycznej i zarządzania termicznego.
• Rubin służy specjalistycznym zastosowaniom fotonicznym, wykorzystującym jego unikalne właściwości aktywne w laserach.

Wraz z postępem technologii materiały te nadal znajdują nowe zastosowania. Rozwój sieci 5G tworzy zapotrzebowanie na tlenek glinu w komponentach wysokiej częstotliwości, a rozwój pojazdów elektrycznych napędza zapotrzebowanie na zaawansowane rozwiązania w zakresie zarządzania termicznego. Jednocześnie rola szafiru rozszerza się w nowych technologiach wyświetlania i ultra-trwałych systemach optycznych.

• Struktura krystaliczna: Heksagonalna
• Twardość w skali Mohsa: 9
• Gęstość: 3,98 g/cm³
• Temperatura topnienia: 2030°C

• Przewodność cieplna: 20-30 W/m·K
• Wytrzymałość dielektryczna: 10-35 kV/mm

• Długość fali lasera: 694,3 nm
• Stężenie chromu: 0,05-1%