Kasdieniame gyvenime elektroniniai prietaisai, tokie kaip išmanieji telefonai ir išmanieji laikrodžiai, tapo nepakeičiamais palydovais. Šie įrenginiai tampa vis plonesni, tačiau galingesni. Ar kada nors susimąstėte, kas leidžia jiems nuolat tobulėti? Atsakymas slypi puslaidininkinėse medžiagose, o šiandien mes sutelkiame dėmesį į vieną išskirtiniausių iš jų – safyro kristalą.
Safyro kristalas, daugiausia sudarytas iš α-Al₂O₃, susideda iš trijų deguonies atomų ir dviejų aliuminio atomų, sujungtų kovalentiškai, sudarant šešiakampę gardelę. Nors savo išvaizda jis primena brangakmenių safyrą, pramoniniai safyro kristalai pasižymi puikiomis savybėmis. Chemiškai inertiškas, netirpsta vandenyje ir yra atsparus rūgštims bei šarmams, veikdamas kaip „cheminis skydas“, išlaikantis stabilumą atšiaurioje aplinkoje. Be to, jis pasižymi puikiu optiniu skaidrumu, leidžiančiu efektyviai praleisti šviesą; dideliu šilumos laidumu, apsaugančiu nuo perkaitimo; ir puikia elektros izoliacija, užtikrinančia stabilų signalo perdavimą be nuotėkio. Mechaniškai safyro kietumas pagal Mosą yra 9, antras pagal Moso skalę, nusileidžiantis tik deimantams, todėl jis yra labai atsparus dilimui ir erozijai – idealiai tinka sudėtingoms reikmėms.
Slaptasis lustų gamybos ginklas
(1) Pagrindinė mažos galios lustų medžiaga
Elektronikai krypstant miniatiūrizacijos ir didelio našumo link, mažo energijos suvartojimo lustai tapo itin svarbūs. Tradiciniai lustai kenčia nuo izoliacijos degradacijos esant nanoskalės storiui, dėl ko atsiranda srovės nuotėkis, padidėja energijos suvartojimas ir perkaitimas, o tai kenkia stabilumui ir ilgaamžiškumui.
Kinijos mokslų akademijos Šanchajaus mikrosistemų ir informacinių technologijų instituto (SIMIT) tyrėjai, naudodami metalų įterpimo oksidacijos technologiją, sukūrė dirbtinio safyro dielektrines plokšteles, paversdami monokristalinį aliuminį monokristaliniu aliuminio oksidu (safyru). Esant 1 nm storiui, ši medžiaga pasižymi itin maža nuotėkio srove, dviem dydžio eilėmis lenkia įprastus amorfinius dielektrikus būsenos tankio mažinimo požiūriu ir pagerina sąsajos su 2D puslaidininkiais kokybę. Integravus tai su 2D medžiagomis, galima naudoti mažai energijos naudojančius lustus, žymiai pailginant išmaniųjų telefonų baterijų veikimo laiką ir padidinant stabilumą dirbtinio intelekto ir daiktų interneto programose.
(2) Puikus galio nitrido (GaN) partneris
Puslaidininkių srityje galio nitridas (GaN) dėl savo unikalių privalumų iškilo kaip spindinti žvaigždė. GaN, kaip plataus draudžiamojo tarpo puslaidininkinė medžiaga, kurios draudžiamasis tarpas yra 3,4 eV – gerokai didesnis nei silicio 1,1 eV, puikiai tinka aukštos temperatūros, aukštos įtampos ir aukšto dažnio taikymams. Dėl didelio elektronų judrumo ir kritinio pramušimo lauko stiprio ji yra ideali medžiaga didelės galios, aukštos temperatūros, aukšto dažnio ir didelio ryškumo elektroniniams prietaisams. Galios elektronikoje GaN pagrindu sukurti prietaisai veikia aukštesniais dažniais ir sunaudoja mažiau energijos, todėl pasižymi geresniu energijos konvertavimo ir valdymo našumu. Mikrobangų ryšio srityje GaN leidžia naudoti didelės galios, aukšto dažnio komponentus, tokius kaip 5G galios stiprintuvai, pagerindamas signalo perdavimo kokybę ir stabilumą.
Safyro kristalas laikomas „tobulu GaN partneriu“. Nors jo gardelės neatitikimas su GaN yra didesnis nei silicio karbido (SiC), safyro pagrindai pasižymi mažesniu terminiu neatitikimu GaN epitaksijos metu, o tai suteikia stabilų pagrindą GaN augimui. Be to, puikus safyro šilumos laidumas ir optinis skaidrumas palengvina efektyvų šilumos išsklaidymą didelės galios GaN įrenginiuose, užtikrindami veikimo stabilumą ir optimalų šviesos išeigos efektyvumą. Geresnės elektros izoliacijos savybės dar labiau sumažina signalo trukdžius ir galios nuostolius. Safyro ir GaN derinys lėmė didelio našumo įrenginių, įskaitant GaN pagrindu veikiančius šviesos diodus, kurie dominuoja apšvietimo ir ekranų rinkose – nuo buitinių LED lempučių iki didelių lauko ekranų, taip pat lazerinius diodus, naudojamus optiniame ryšyje ir tiksliame lazeriniame apdorojime, kūrimą.
XKH GaN-on-safyro plokštelė
Puslaidininkių taikymo ribų išplėtimas
(1) „Skydas“ karinėse ir kosminėse srityse
Karinių ir kosmoso reikmenų įranga dažnai veikia ekstremaliomis sąlygomis. Kosmose erdvėlaiviai patiria beveik absoliutų nulį atitinkančią temperatūrą, intensyvią kosminę spinduliuotę ir vakuuminės aplinkos iššūkius. Tuo tarpu karinių orlaivių paviršiaus temperatūra dėl aerodinaminio įkaitimo didelio greičio skrydžio metu, taip pat didelių mechaninių apkrovų ir elektromagnetinių trukdžių viršija 1000 °C.
Unikalios safyro kristalo savybės daro jį idealia medžiaga svarbiems šių sričių komponentams. Išskirtinis atsparumas aukštai temperatūrai – iki 2045 °C, išlaikant konstrukcijos vientisumą – užtikrina patikimą veikimą esant terminiam įtempimui. Jo radiacinis kietumas taip pat išsaugo funkcionalumą kosminėje ir branduolinėje aplinkoje, efektyviai apsaugodamas jautrią elektroniką. Šios savybės lėmė platų safyro naudojimą aukštos temperatūros infraraudonųjų spindulių (IR) languose. Raketų valdymo sistemose IR langai turi išlaikyti optinį skaidrumą esant dideliam karščiui ir greičiui, kad būtų užtikrintas tikslus taikinio aptikimas. Safyro pagrindu pagaminti IR langai sujungia aukštą terminį stabilumą su puikiu IR pralaidumu, o tai žymiai pagerina valdymo tikslumą. Kosmoso ir aviacijos pramonėje safyras apsaugo palydovų optines sistemas, užtikrindamas aiškų vaizdą atšiauriomis orbitinėmis sąlygomis.
XKHsafyro optiniai langai
(2) Naujasis superlaidininkų ir mikroelektronikos fondas
Kalbant apie superlaidumą, safyras yra nepakeičiamas substratas superlaidžioms plonoms plėvelėms, kurios įgalina nulinės varžos laidumą – revoliuciją energijos perdavime, maglev traukiniuose ir MRT sistemose. Didelio našumo superlaidžioms plėvelėms reikalingi substratai su stabiliomis grotelių struktūromis, o safyro suderinamumas su tokiomis medžiagomis kaip magnio diboridas (MgB₂) leidžia auginti plėveles su padidintu kritinės srovės tankiu ir kritiniu magnetiniu lauku. Pavyzdžiui, maitinimo kabeliai, kuriuose naudojamos safyro pagrindu pagamintos superlaidžios plėvelės, smarkiai pagerina perdavimo efektyvumą, sumažindamos energijos nuostolius.
Mikroelektronikoje safyro pagrindai su specifinėmis kristalografinėmis orientacijomis, tokiomis kaip R plokštuma (<1-102>) ir A plokštuma (<11-20>), leidžia sukurti pritaikytus silicio epitaksinius sluoksnius pažangiems integriniams grandynams (IC). R plokštumos safyras sumažina kristalų defektus didelės spartos IC, padidindamas veikimo greitį ir stabilumą, o A plokštumos safyro izoliacinės savybės ir vienodas laidumas optimizuoja hibridinę mikroelektroniką ir aukštos temperatūros superlaidininkų integraciją. Šie pagrindai yra pagrindinių lustų pagrindas didelio našumo skaičiavimo ir telekomunikacijų infrastruktūroje.
XKH'sAlN ant NPSS plokštelės
Safyro kristalo ateitis puslaidininkiuose
Safyras jau pademonstravo didžiulę vertę puslaidininkių srityje – nuo lustų gamybos iki aviacijos ir kosmoso bei superlaidininkų. Technologijoms tobulėjant, jo vaidmuo dar labiau plėsis. Dirbtinio intelekto srityje safyro pagrindu sukurti mažos galios, bet našūs lustai paskatins dirbtinio intelekto pažangą sveikatos priežiūros, transporto ir finansų srityse. Kvantinių skaičiavimų srityje safyro medžiagos savybės jį daro perspektyviu kandidatu kubitų integracijai. Tuo tarpu GaN ant safyro įrenginiai patenkins didėjančius 5G/6G ryšio įrangos poreikius. Ateityje safyras išliks puslaidininkių inovacijų kertiniu akmeniu, skatinančiu žmonijos technologinę pažangą.
XKH GaN-on-safyro epitaksinė plokštelė
„XKH“ tiekia tiksliai pagamintus safyro optinius langus ir GaN ant safyro plokštelių sprendimus pažangiausiems taikymams. Pasitelkdami patentuotas kristalų auginimo ir nanoskalės poliravimo technologijas, mes tiekiame itin plokščius safyro langus, pasižyminčius išskirtiniu pralaidumu nuo UV iki IR spektrų, idealiai tinkančius aviacijos ir kosmoso, gynybos ir didelės galios lazerių sistemoms.
Įrašo laikas: 2025 m. balandžio 18 d.