ООО Чунцин Саньхан Оптоэлектронная Технология
Корпус 25, Цзиндунфан проспект 399, район Бэйбэй, город Чунцин
ООО Чунцин Саньхан Оптоэлектронная Технология
Корпус 25, Цзиндунфан проспект 399, район Бэйбэй, город Чунцин
2026-03-16
С тех пор как гигант мобильной индустрии Apple объявил о намерении использовать сапфировые экраны в моделях iPhone 6 и 6 Plus (хотя впоследствии этот план сорвался), весь рынок сапфира мгновенно закипел: производители по всему миру, от крупных до мелких, захотели получить свою долю в этой сфере. Конечно, вы знаете, что в итоге этот проект не был реализован, однако в Apple Watch все же был использован сапфировый экран, и, судя по всему, инвестиционный интерес к сапфировой отрасли по-прежнему остается довольно высоким.
На данный момент сапфир уже является одним из важнейших базовых материалов современной промышленности, и благодаря общему росту производственных мощностей в отрасли, а также снижению себестоимости и цен на сапфировые материалы, у них открываются отличные перспективы в сфере подложек для светодиодов и потребительской электроники. Однако это еще не всё: у сапфира есть огромный потенциал, который он может в полной мере раскрыть!
Основные свойства сапфира
Популярность сапфира объясняется не только поддержкой со стороны Apple, но и, в первую очередь, его собственными достоинствами. В промышленности под сапфиром обычно понимают прозрачные кристаллы корунда, за исключением оттенков от средне-красного до темно-красного и пурпурного, химический состав которых составляет Al₂O₃. Они относятся к разновидности α-Al₂O₃, в чистом виде являются бесцветными и прозрачными, имеют температуру плавления 2030 °C и температуру кипения 3500 °C, а также отличаются высокой гладкостью поверхности, высоким удельным сопротивлением и высокими диэлектрическими свойствами. Эти превосходные оптические, механические, тепловые, химические и электрические свойства определяют важное место и роль сапфира в военной и гражданской сферах.
① Износостойкость: благодаря высокой твердости и прозрачности кристаллы сапфира часто используются для изготовления износостойких окон или других деталей прецизионных механизмов.
② Химическая стойкость: сапфир обладает высокой химической стойкостью и не подвергается коррозии в ходе большинства химических реакций.
③ Механические свойства: благодаря высокой твердости и прочности монокристалл сапфира сохраняет высокую прочность, износостойкость и стабильность в различных условиях — от сверхнизких до высоких температур (до 1500 °C). Кроме того, это самый твердый из известных на сегодняшний день кристаллических материалов на основе оксидов, уступающий по твердости лишь алмазу (9 баллов по шкале Мооса).
④ Оптическая пропускаемость: диапазон пропускаемых длин волн монокристаллического сапфира составляет 0,19–5,5 нм. Благодаря этим свойствам, а также превосходной химической стойкости, износостойкости, высокой твердости и термостойкости, окна и оптические детали датчиков из сапфира широко используются в системах высокого вакуума, высокотемпературных печах и других условиях с жесткими эксплуатационными требованиями.
⑤ Термодинамические свойства: благодаря температуре плавления около 2050 °C, а также превосходным химическим, механическим и оптическим свойствам кристаллы сапфира широко используются в самых сложных условиях эксплуатации.
⑥ Диэлектрические свойства: обладает диэлектрической изоляцией и постоянной диэлектрической проницаемостью.
⑦ Сапфир также обладает высокой прочностью на растяжение, устойчивостью к эрозии, теплопроводностью и значительной термостойкостью.
Применение сапфира
В настоящее время наиболее важными коммерческими применениями сапфира являются его использование в качестве подложки для осветительных приборов и в радиочастотных интегральных схемах на основе сапфирового кремния. Кристаллы сапфира не только широко применяются в военных инфракрасных устройствах, ракетах, подводных лодках, космической технике, системах обнаружения и высокомощных лазерах, но и служат в качестве материала для оконных стекол в микроэлектронике, оптоэлектронике, полупроводниковой промышленности, информационных дисплеях и, в особенности, в индустрии синих (белых) светодиодных осветительных приборов.
1. Оптическое окно и обтекатель
Монокристалл сапфира, благодаря своим превосходным комплексным характеристикам, является идеальным материалом для изготовления окон в среднем инфракрасном диапазоне и широко применяется в военной оптоэлектронной аппаратуре. Инфракрасные оптические окна и обтекатели, изготовленные из монокристалла сапфира, широко используются в бортовом, спутниковом, корабельном, а также подводном и наземном оптоэлектронном оборудовании; в частности, они играют незаменимую роль в таких военных системах, как обтекатели ракет с высоким числом Маха, прозрачная броня, иллюминаторы подводных лодок и мощные лазерные установки.
Например: ракеты перехватчиков системы защиты боевых зон ВМС США, ракеты перехватчиков «Спринт» (HEDI), американские ракеты класса «воздух-воздух» ближнего действия пятого поколения (AM–9X), израильские ракеты класса «воздух-воздух» ближнего действия нового поколения («Python 5»), а также ракеты (RM–116 RAM), установленные на военных кораблях США, Германии, Южной Кореи, Греции и других стран, — все они оснащены обтекателями из сапфира.
2. Лазеры на титановом сапфире и их применение
После того как в 1982 году были впервые обнаружены возможности применения монокристаллов сапфира с добавкой титана (Ti³⁺:Al₂O₃) в лазерной технике, исследования в этой области постоянно углублялись, а различные типы лазеров, использующих Ti:Al₂O₃ в качестве рабочего вещества, быстро развивались. Лазеры на Ti:Al₂O₃ представляют собой удобный и гибкий инструмент для научных исследований. По сравнению с другими конкурентоспособными лазерными материалами их основными особенностями являются:
① диапазон спектрального выхода от сверхузкой одиночной частоты до широкой полосы пропускания, охватывающий несколько сотен нанометров, с возможностью генерации сверхбыстрых импульсов;
② широкий диапазон перестройки, достигающий 400 нм;
③ высокая мощность; например, в случае полностью твердотельных перестраиваемых лазеров на основе Ti:Al₂O₃ Тяньцзинский университет и Институт физики Китайской академии наук достигли мощности лазерного излучения 6 Вт (с коэффициентом преобразования 22,2 %) и 6,44 Вт (с коэффициентом преобразования 40,25 %) соответственно.
В настоящее время лазеры на основе Ti:Al₂O₃ работают в импульсном, квазинепрерывном, непрерывном и фазово-стабилизированном режимах и нашли применение во всех областях исследований лазеров, включая повышение выходной мощности, расширение диапазона настройки, сужение ширины линии, стабилизацию частоты и улучшение качества луча. Они также широко используются в военной и инженерной областях. Например, в таких военных областях, как лазерная дальнометрия, радиоэлектронное подавление, противодействие инфракрасному излучению, ослепляющее оружие, а также во многих других областях, таких как лазерная связь, морская разведка, мониторинг атмосферной среды, лазерная хирургия и микрообработка.
3. Однокристаллические сапфиры с добавками, обладающие термолюминесцентными (фотолюминесцентными) свойствами, и их применение
Впервые превосходные термолюминесцентные свойства монокристаллов сапфира были обнаружены в 1950-х годах Дэниелсом из Университета Висконсина (США), однако их чувствительность к термолюминесценции под воздействием γ-излучения была весьма низкой. Для улучшения термолюминесцентных свойств монокристаллов сапфира был разработан ряд легированных термолюминесцентных материалов на основе монокристаллов сапфира, таких как α-Al₂O₃:(Mg, Ti, Y), α-Al₂O₃:Cr и α-Al₂O₃:(Si, Ti). В 1990 году Аксельрод и др. с помощью метода зонирования вырастили новый кристалл α-Al₂O₃:C, являющийся превосходным термолюминесцентным материалом. В настоящее время термолюминесцентные дозиметры на основе α-Al₂O₃:C, разработанные и производимые американской компанией Landauer, широко используются в странах Европы и Америки.
4. Сапфировые оптоволоконные датчики и их применение
Оптические датчики на основе монокристаллического сапфирового волокна могут выращиваться методом лазерного нагрева небольшого подложки. Обычно они используются в суровых условиях; чтобы избежать повреждения поверхности, которое может повлиять на передаточные характеристики волокна, на монокристаллическое сапфировое волокно можно нанести прозрачное покрытие из поликристаллического оксида алюминия методом золь-гель.
Благодаря своим отличным оптическим характеристикам в диапазоне от видимого до ближнего инфракрасного излучения, а также высокой термостойкости монокристалла сапфира, датчики на основе монокристаллического сапфирового волокна могут применяться в области высокотемпературного зондирования и для передачи ближнего инфракрасного лазерного излучения в биомедицинских целях. Помимо преимуществ, присущих обычным волоконно-оптическим датчикам температуры, таких как большой динамический диапазон, высокая чувствительность, быстрый отклик и устойчивость к электромагнитным помехам, датчики температуры на основе монокристаллического сапфирового волокна позволяют осуществлять измерения температуры в широком диапазоне с высокой точностью, высоким соотношением сигнал/шум и большой полосой пропускания, а также широко применяются в таких областях, как плазменное осаждение, высокочастотные электропечи и высокотемпературные тепловые потоки.
5. Сапфировые подложки и основания
Монокристаллы сапфира благодаря своим превосходным механическим и диэлектрическим свойствам (умеренная диэлектрическая проницаемость и низкие диэлектрические потери), химической стабильности, а также высокой гладкости поверхности являются материалом наивысшего качества для изготовления подложек и оснований для высокотемпературных сверхпроводящих пленок, материалов для инфракрасной оптики, микроэлектронных устройств и т. д. В частности, это:
① подложки для высокотемпературных сверхпроводящих пленок, таких как пленки на основе Tl, например TlBa₂Ca₂Cu₃O_y;
② подложки для инфракрасных оптических материалов, таких как кристаллы теллурида кадмия и ртути (материалы ближнего инфракрасного диапазона), арсенид галлия (GaAs), фосфид галлия (GaP), нитрид галлия (GaN), сульфид цинка (ZnS), селенид цинка (ZnSe), тетрахлорид кадмия (CdTe), оксид цинка (ZnO), SiO₂ и алмаз и т. д.;
③ подложки для элементов крупномасштабных интегральных схем и микроэлектронных устройств, таких как светодиоды синего света высокой яркости и т. д.
В настоящее время 80 % мировых производителей светодиодов используют сапфировые подложки, которые также являются материалом первого выбора для подложек на основе азотидов и подложек для интегральных схем. С развитием электронных технологий, и в особенности с стремительным ростом индустрии полупроводникового освещения, рыночный спрос на сапфировые подложки становится все более высоким.
6. Оптические элементы, окна детектора и другие области применения
Благодаря своим идеальным оптическим и механическим свойствам монокристаллы сапфира могут использоваться для изготовления оптических элементов для экспериментов, таких как линзы, призмы и зеркала, а также детекторных приборов для научных исследований, например, детекторов гравитационных волн. Благодаря широкому диапазону пропускания, высокой пропускаемости, высокой прочности, термостойкости, износостойкости и коррозионной стойкости монокристалл сапфира может использоваться в качестве смотровых и детекторных окон для оборудования и приборов, работающих в различных суровых условиях, таких как высокие температуры и высокое давление, например: термостойкие окна для термопар и водоуровней котлов, износостойкие окна для сканеров штрих-кодов, коррозионностойкие окна для датчиков и детекторов, используемых при разведке угольных, газовых и нефтяных скважин и т. д.
В других областях гражданского применения сапфир также используется в качестве хирургических инструментов, корпусов для прецизионных приборов, подшипников для точного оборудования, а также в производстве высококачественных часов и ювелирных изделий. Кроме того, из него изготавливают различные стаканы и посуду, прозрачные светильники и линзы для защитных очков и т. д.
7. Функциональные компоненты, связанные с 5G
Благодаря своим выдающимся преимуществам в плане пропускания инфракрасного излучения, диэлектрических свойств и устойчивости к царапинам, сапфир не только позволяет повысить чувствительность и скорость отклика сенсорных экранов, но и, благодаря своей высокой твердости, способен противостоять различным видам износа, в том числе царапинам от ножей. Поэтому он широко используется в сфере бытовой электроники, в частности в качестве защитных стекол для камер смартфонов, кнопок «Домой» с датчиками отпечатков пальцев, экранов смарт-часов, а также, в будущем, возможно, и экранов смартфонов.
В настоящее время объем закупок монокристаллов сапфира для Apple Watch превысит 18 % от общего мирового объема производства монокристаллов сапфира. Согласно статистике IDC, в 2018 году объем поставок на мировом рынке носимых устройств составил около 172,2 млн единиц, из которых поставки смарт-часов достигли 51,31 млн единиц, что на 54,3 % больше, чем в предыдущем году. По прогнозам отраслевых экспертов, к 2021 году объем рынка сапфировых стекол для смартфонов вырастет с 230 млн долларов в 2016 году до 13,98 млрд долларов, а объем рынка сапфировых стекол для смарт-часов — с 240 млн долларов до 620 млн долларов.
