Сапфир (Al₂O₃)

Сапфир, химическая формула Al2O3, — прозрачный материал с невероятной механической прочностью и жесткостью, отличными тепловыми свойствами, диэлектрическими характеристиками и стойкостью к коррозии. Сапфир также обладает широким оптическим пропусканием от ультрафиолетового (УФ) до среднего инфракрасного (средне-ИК) диапазона, устойчив к царапинам в экстремальных условиях и занимает 9 место в шкале Мооса. Кроме того, сапфир сохраняет стабильность в условиях высоких температур, его точка плавления достигает 2030℃. Поэтому широкий спектр отраслей, включая промышленность, национальную оборону, научные исследования и фармацевтику, ориентируется на использование сапфира. Сапфир становится всё более востребованным материалом для изготовления твердотельных лазеров, оптических окон, полупроводниковых подложек и различных оптических компонентов, где необходимо учитывать высокие тепловые нагрузки, высокое давление, устойчивость к царапинам и износу, коррозионную атмосферу и низкое трение.

Структура сапфира:

Сапфир — это корунд, состоящий из двуокиси алюминия (Al2O3), организованной в трёхмерное регулярное, периодическое и повторяющееся кристаллическое состояние с гексагональной или кубической структурой.

Известно девять видов сапфира: гамма, бета, альфа, эта, дзета, тета, каппа, ро и хи. Для изготовления сапфировых окон используется альфа-сапфир, который производится в лабораториях и на фабриках с применением специальных искусственных методов. Получаемый сапфир или сапфировое стекло бесцветны, имеют более высокую степень чистоты Al2O3, не содержат воды и обладают более упорядоченной и предсказуемой микроструктурой, чем природный сапфир, что делает его более пригодным для промышленных и оптических целей. Важно отметить, что все сапфиры являются монокристаллами, и при их выращивании и резке всегда избегают образования субзерен.

Альфа-сапфир имеет гексагональную структуру. Константы решетки: a=b=4,758Å, c=12,991Å. Атомная структура альфа-сапфира, используемого для производства сапфировых окон, показана на рисунке ниже. Левая часть рисунка демонстрирует, что альфа-сапфир состоит из гексагональных плотно упакованных оксидных слоев, а 3/2 зазоров октаэдров заполнены ионами Al3+. Правая часть рисунка иллюстрирует шесть слоев элементарных ячеек Al2O3, расположенных по типу ARAB. Каждый слой содержит 3 атома оксида, всего 18 атомов оксида. Что касается атомов Al, на 1 и 4 слоях по два атома, на оставшихся 4 слоях по три атома, всего 12 атомов Al.

Атомная структура альфа-монокристаллического сапфира (альфа-Al2O3)

Ориентации сапфира:

Ориентация кристалла — это вектор, описывающий произвольную линию, соединяющую две точки решётки. Распределение и расположение атомов меняются вдоль различных направлений или на разных плоскостях решётки, поскольку кристаллы являются анизотропными. В результате даже одинаковые кристаллы с разной ориентацией проявляют существенно отличающиеся характеристики и поведение. Именно поэтому выбор правильной ориентации кристалла и плоскостей резки крайне важен при производстве компонентов и элементов, предназначенных для различных целей. Ориентация сапфира, используемого для изготовления компонентов с разными назначениями, формируется в процессе выращивания и резки/нарезки, поскольку выбранная ориентация оптимизирует производительность.

Внутренние решётки сапфира организованы в гексагональную структуру. Направление внутренней архитектуры элемента в ходе производства влияет на его функциональные свойства.

Как показано на схеме ниже, окна из сапфира обычно имеют следующие ориентации: «a», «c», «n» и «m». Сапфир обладает слабой двулучепреломляемостью, поэтому в критически важных оптических ситуациях окна должны иметь спецификацию «0 градусов» или «срез по c». Срез по c устраняет эффект двулучепреломления, так как производится перпендикулярно оси c, параллельной оптической оси сапфира. Для защитных и упаковочных применений, таких как смотровое стекло наручных часов, часто используется срез по A, который производится перпендикулярно оси A и характеризуется исключительной механической твердостью и устойчивостью к царапинам. Если срез не указан, компонент будет иметь «случайный» срез, однако стоит отметить, что обычно это угол около 60° к оптической оси, так как это «самое мягкое» направление для пиления. Случайный срез распространён из-за более низкой стоимости и приемлем в случаях отсутствия жёстких требований к оптическим или механическим свойствам. Однако, как упоминалось выше, поскольку свойства сапфира зависят от ориентации, случайная ориентация может привести к непредсказуемым изменениям прочности и других свойств конечного продукта.

Индексы ориентации:

Плоскость C (0001) = срез Z 

Плоскость A (11-20) = срез Y 

Плоскость M (10-10) = срез X 

Плоскость R (10-10)

   

Структура решётки сапфира и распространённые ориентации кристаллов сапфира

Механические свойства сапфира:

Механические свойства монокристаллического сапфира связаны с его плотностью — чем выше плотность, тем лучше механические характеристики. Монокристаллы сапфира с составом 100% Al2O3 имеют теоретическую плотность 3,68 г/см³. При таком предположении механические свойства сапфира будут наилучшими. Его прочность на сжатие составляет от 1,9 до 24 ГПа. Модуль Юнга сапфира равен 380 ГПа, что примерно вдвое превышает модуль железа (200 ГПа). Однако при достижении температуры 1200°C коэффициенты упругости сапфира начинают резко изменяться.

Большая твёрдость — ещё одна важная характеристика сапфира: по шкале Мооса твёрдость составляет 9, что уступает только алмазу. Это означает, что оптические компоненты из сапфира устойчивы к царапинам и износу. Твёрдость сапфира также положительно коррелирует с его степенью очистки.

Тепловые свойства сапфира:

Тепловые свойства включают коэффициенты теплопроводности, тепловой диффузии, удельную теплоёмкость и коэффициенты теплового расширения. Эти свойства зависят от степени чистоты сапфира. Обычно чем выше чистота, тем выше коэффициенты теплопроводности и тепловой диффузии. Однако закономерностей между чистотой Al2O3 и величиной коэффициентов теплового расширения не выявлено. Производители не приходят к единому мнению по поводу коэффициента теплового расширения сапфира. Хотя небольшие различия могут быть связаны с методом выращивания и ориентацией, эти вариации остаются необъяснимыми.

Оптическая пропускная способность сапфира:

Диапазон оптической прозрачности сапфира широк — от 225 до 5500 нм, охватывая ультрафиолетовый (УФ) и инфракрасный (ИК) спектры.

Для сапфира без покрытия ИК-пропускание не вызывает проблем при длинах волн выше примерно 5000 нм. В УФ-диапазоне следует соблюдать осторожность, так как пропускание от 140 до 240 нм подвержено влиянию междоузельных вакансий и незначительных примесей. Хотя небольшие сапфировые окна, изготовленные из «полуобломков» Вернейя, обычно обладают хорошей пропускной способностью, обычный сапфир показывает плохую УФ-производительность в диапазоне 160–240 нм. Главной причиной плохой УФ-пропускной способности, помимо загрязнений, является широкое поглощение на длине волны около 205 нм, вызванное междоузельными вакансиями.

Существует также УФ-стандарт сапфира, специально обработанный для требований к пропусканию ультрафиолета. УФ-сапфиры подвергаются специальной термической обработке для удаления междоузельных вакансий, что обратимо при нагреве.

Кривая пропускания сапфира:

Выращивание сапфира:

Ранее был разработан метод Вернейля для изготовления синтетического сапфира. В этом процессе используется метод пламени: порошок Al2O3 подаётся в пламя OH, и расплавленные капли оседают на охлаждающийся посадочный стержень. Однако из-за трудностей с контролем температуры пламени, что приводит к появлению трещин в готовом продукте, и значительных потерь Al2O3 в процессе плавления, что увеличивает стоимость производства, этот метод в настоящее время неэффективен на рынке. Более того, при использовании этого метода в середине сапфирового слитка образуется естественная плоскость спайности, что затрудняет производство сапфиров большого диаметра.

В настоящее время наиболее часто для производства оптического монокристаллического сапфира используют метод SAPMAC и метод Киропулоса (KY метод). Метод Кожральски, модификацией которого является KY метод, использует подъём как движущую силу роста, а KY метод основан на точном регулировании изменения температуры для выращивания сапфира. Аппаратура и процессы обоих методов схожи.

Процесс Киропулоса включает плавление определённого объёма Al2O3 внутри тигля в печи для роста KY, затем погружение стержня с посадочным кристаллом сапфира на конце в полученный расплав. Остальная часть кристалла выращивается путём медленного и постепенного охлаждения расплава после лёгкого подъёма стержня для извлечения начальной головной части сапфира.

Метод Киропулоса подходит для выращивания крупных сапфировых кристаллов диаметром более 100 мм. Благодаря минимальному подъёму стержня во время роста можно более точно регулировать температурный градиент, что снижает плотность дислокаций и тепловых напряжений в решётке.

Другой инновационный метод, основанный на KY и методе Кожральски, — это метод SAPMAC. В отличие от двух предыдущих, SAPMAC использует меньше подъёмов и более точное поэтапное регулирование температуры, разделённое на сегменты, соответствующие фазам роста сапфира.

Приложение: Технические характеристики сапфира:

Свойства сапфира:

Постоянные решетки	a=4,765, c=13,00
Диапазон пропускания	от 0,25 до 5,5 мкм
Показатель преломления	No 1.75449; Ne 1.74663 при 1,06 мкм (1)
Потери на отражение	14% при 1,06 мкм
Коэффициент поглощения	0,3 x 10-3 см-1 при 2,4 мкм (2)
Пик Рестштрален	13,5 мкм
dn/dT	13,1 x 10-6 при 0,546 мкм (3)
dn/dμ = 0	1,5 мкм
Плотность	3,98 г/см³
Температура плавления	2040°C
Коэффициент теплопроводности	27,21 Вт м⁻¹ К⁻¹ при 300К
Коэффициент теплового расширения	5,6 (параллельно) и 5,0 (перпендикулярно) × 10⁻⁶/К *
Твердость	По Кнупу 2000 с нагрузкой 2000г
Удельная теплоемкость	763 Дж кг⁻¹ К⁻¹ при 293К (4)
Диэлектрическая проницаемость	11,5 (параллельно) 9,4 (перпендикулярно) при 1МГц
Модуль Юнга (E)	345 ГПа
Модуль сдвига (G)	148.1 ГПа
Объемный модуль (K)	240 ГПа
Коэффициенты упругости	C11=496 C12=164 C13=115 C33=498 C44=148
Предел упругости (на видном уровне)	300 МПа (45,000 psi)
Коэффициент Пуассона	0.25-0.30
Растворимость	98 x 10⁻⁶ г/100 г воды
Молекулярная масса	101.96
Класс/Структура	Тригональная (гекс), R3c

Показатель преломления сапфира

No = Обычный луч     Ne = Необычный луч

µм (длина волны)	No (обычный)	Ne (необычный)	µм (длина волны)	No (обычный)	Ne (необычный)	µм (длина волны)	No (обычный)	Ne (необычный)
0.193	1.9288	1.9174	0.213	1.8890	1.8784	0.222	1.8754	1.8650
0.226	1.8702	1.8599	0.244	1.8506	1.8407	0.248	1.8470	1.8372
0.257	1.8393	1.8297	0.266	1.8330	1.8236	0.280	1.8244	1.8151
0.308	1.8110	1.8020	0.325	1.8047	1.7958	0.337	1.8001	1.7921
0.351	1.7969	1.7882	0.355	1.7960	1.7883	0.442	1.7804	1.7721
0.458	1.7784	1.7702	0.488	1.7753	1.7671	0.515	1.7730	1.7649
0.532	1.7717	1.7636	0.590	1.7680	1.7600	0.633	1.7659	1.7579
0.670	1.7643	1.7563	0.694	1.7634	1.7554	0.755	1.7614	1.7535
0.780	1.7607	1.7527	0.800	1.7601	1.7522	0.820	1.7596	1.7517
0.980	1.7561	1.7482	1.064	1.7545	1.7466	1.320	1.7501	1.7423
1.550	1.7462	1.7384	2.010	1.7375	1.7297	2.249	1.7323	1.7243
2.703	1.719	1.711	2.941	1.712	1.711	3.333	1.701	1.693
3.704	1.687	1.679	4.000	1.674	1.666	4.348	1.658	1.65
4.762	1.636	1.628	5.000	1.623	1.615	5.263	1.607	1.599

Related Products

Tags: Сапфир (Al₂O₃)

---