Свойства и применение сапфира 

Сапфир имеет гексагональную/ромбическую структуру и проявляет свойства, зависящие от ориентации кристалла. Сапфировые подложки имеют плоскости c, r, a, m и случайную ориентацию; материалы со случайной ориентацией являются самыми дешевыми и обычно используются для некритичных оптических или механических применений.

Сапфир с С-образной ориентацией граней:

Ориентация в плоскости c является наиболее твердой и механически симметричной. Сапфир с ориентацией в плоскости c обычно выбирают для оптических применений, чтобы устранить присущее кристаллу двулучепреломление. Подложки из сапфира с ориентацией в плоскости c могут использоваться для выращивания соединений III-V и II-VI, таких как GaN для синих светодиодов и лазерных диодов. Кроме того, он находит применение в инфракрасных детекторах.

Сапфир, ориентированный со стороны А:

Сапфир с ориентацией по плоскости А обеспечивает подложку с равномерной диэлектрической постоянной и высокой изоляцией для гибридных микроэлектронных применений, а высокотемпературные сверхпроводники могут быть выращены с использованием сапфировых подложек с ориентацией по плоскости А.

r-гранный сапфир:

Сапфировые подложки с R-плоскостью используются для гетероэпитаксиального осаждения кремния в микроэлектронных интегральных схемах. Они обладают высокой диэлектрической постоянной, что делает их идеальным выбором для гибридных подложек, таких как те, которые используются в микроволновых интегральных схемах. Кроме того, высокоскоростные интегральные схемы и датчики давления могут быть изготовлены с использованием тонкопленочных и эпитаксиальных кремниевых процессов. Также их можно использовать для выращивания таллия , сверхпроводящих устройств, резисторов с высоким импедансом и арсенида галлия (GaAs).

Сапфир, ориентированный в m- и r-плоскостях, используется для выращивания неполярных/полуполярных эпитаксиальных слоев, что способствует повышению эффективности люминесценции. Сапфировые подложки применяются в гибридной микроэлектронике и микроэлектронных интегральных схемах.

Сапфир против расплавленного _SiO₂

плавленый SiO₂ _{используется во многих областях, сапфир на самом деле} больше подходит в определенных ситуациях. Часто использование плавленого _{SiO₂ обусловлено исключительно экономическими соображениями. Несмотря на то, что плавленый SiO₂} дешевле сапфира _, отказ материала в некоторых критически важных системах может привести к дорогостоящему ремонту, простоям и другим непредвиденным проблемам. Общие преимущества сапфировых компонентов — прочность, долговечность, надежность и широкий спектр применения — значительно перевешивают разницу в цене. Разница в цене сырья между сапфиром и плавленым _SiO₂ минимальна для мелких деталей и не становится фактором до тех пор, пока не начинают использоваться детали больших размеров. Сапфир может значительно продлить срок службы системы в суровых условиях, значительно снижая затраты, связанные с заменой компонентов и техническим обслуживанием системы. Преимущества использования сапфира вместо плавленого _SiO₂ включают в себя :

Твердость сапфира по Кнупу составляет 2200, а твердость расплавленного _{SiO2 по Кнупу} — 460.

Прочность сапфира составляет 4 миллиона Паскалей, тогда как прочность расплавленного _SiO2 — 600 000 Паскалей.

демонстрирует лучшие пропускающие свойства в среднеинфракрасном диапазоне, чем плавленый SiO2 _;

Сапфировое стекло разрушается при экстремально высоких температурах, а расплавленный _SiO2 разрушается и перекристаллизуется.

Области применения сапфира:

Сапфировые окна и линзы: прочность, долговечность, прозрачность и широкий спектральный диапазон сапфира являются причинами его широкого применения в окнах и линзах. По сравнению с другими материалами, сапфировые окна и линзы выдерживают более высокие температуры и не подвергаются деградации. Области применения включают: камеры, детекторы, космические телескопы, доменные печи (способные выдерживать чрезвычайно высокие температуры), центрифуги, устойчивость к лазерному излучению, подводные беспилотные аппараты (устойчивые к высокому давлению) и многое другое.

Обтекатель и панорамный вид

Сапфировый обтекатель и смотровое окно с обзором на 360 градусов, твердость которых уступает только алмазу, обеспечивают высокую устойчивость к быстро движущейся грязи, песку и соленой воде, а также выдерживают давление 10 000 фунтов на квадратный дюйм и температуру 1000 °C. При нанесении антибликового покрытия с обеих сторон коэффициент пропускания от ультрафиолетового до инфракрасного излучения достигает 99%, а без покрытия — 85%. Эти компоненты обеспечивают защиту передней части высокоскоростных систем наведения ракет, панорамных мачт, смотровых окон и других оптических систем.

Экстремальные применения

Благодаря всем превосходным свойствам сапфира, его функциональность и устойчивость к экстремальным условиям не имеют себе равных. Военные, научные исследования, морское дно, космические аппараты и беспилотники — все они требуют мощной сверхпрозрачной защитной оптики, способной справляться с такими условиями, как быстро движущийся песок, солевые брызги, плесень, высокое давление, вакуум, радиация и открытый космос.

Гладкая, без царапин поверхность сапфира препятствует росту водорослей и адгезии пленок и микроорганизмов в жидкой среде. Он идеально подходит для применения в глубоководных условиях, например, в подводных аппаратах, автономных и подводных беспилотных аппаратах. Сапфир также хорошо подходит для всех типов лазерных систем вооружения, мощных микроволновых установок и других оптических применений, требующих чрезвычайно гладких и прочных поверхностей.

Инфракрасная система противодействия

Сапфировые окна защищают бортовые системы визуализации, обнаружения и наведения, обеспечивая при этом широкополосную передачу данных; они также используются в системах инфракрасного обзора (FLIR), системах наведения, прицельных окнах, а также в системах разведки и наблюдения.

Микроволновая радиочастота

Сапфир используется в широком спектре изделий, от трубок для плазменного напыления и сопел для плазменной имплантации до волноводных барьеров, прозрачных для радиочастотного излучения. Сапфир может применяться в микроволновых приложениях, от нагрева пищевых продуктов и генерации плазмы до радиопрозрачных систем. Благодаря своей радиочастотной прозрачности, теплопроводности и высокой термостойкости, сапфир является идеальным материалом для мощных микроволновых приложений, требующих устойчивости к радиационному повреждению.

Сапфировая волновая пластина

Сапфировые волновые пластины представляют собой уникальную альтернативу кристаллическому кварцу для создания надежных компонентов управления поляризацией в видимом и инфракрасном диапазонах. Сапфир — это прочный двулучепреломляющий материал с эффективным коэффициентом пропускания от 0,25 до 4,7 микрометров. В этом диапазоне длин волн, при наличии антиотражающего покрытия с обеих сторон, его коэффициент пропускания составляет >98%. Он обладает высокой твердостью (по шкале Мооса 9) и способен выдерживать воздействие агрессивных химических сред.