Igapäevaelus on elektroonikaseadmed, nagu nutitelefonid ja nutikellad, muutunud asendamatuteks kaaslasteks. Need seadmed muutuvad üha õhemaks, kuid samas ka võimsamaks. Kas olete kunagi mõelnud, mis võimaldab nende pidevat arengut? Vastus peitub pooljuhtmaterjalides ja täna keskendume ühele silmapaistvamale neist – safiirkristallile.
Safiirkristall, mis koosneb peamiselt α-Al₂O₃-st, koosneb kolmest hapniku- ja kahest alumiiniumi aatomist, mis on kovalentselt seotud, moodustades kuusnurkse võrestruktuuri. Kuigi välimuselt meenutab see vääriskiviklassi safiiri, rõhutavad tööstuslikud safiirkristallid suurepärast jõudlust. Keemiliselt inertne, vees lahustumatu ning hapete ja leeliste suhtes vastupidav, toimides "keemilise kilbina", mis säilitab stabiilsuse karmides keskkondades. Lisaks on sellel suurepärane optiline läbipaistvus, mis võimaldab tõhusat valguse läbilaskvust; tugev soojusjuhtivus, mis hoiab ära ülekuumenemise; ja suurepärane elektriisolatsioon, mis tagab stabiilse signaaliülekande ilma leketeta. Mehaaniliselt on safiiri Mohsi kõvadus 9, mis on teisel kohal ainult teemandi järel, muutes selle väga kulumis- ja erosioonikindlaks – ideaalne nõudlikeks rakendusteks.
Kiibitootmise salarelv
(1) Väikese energiatarbega kiipide põhimaterjal
Kuna elektroonikas on üha enam tegemist miniaturiseerimise ja suure jõudlusega, on väikese energiatarbega kiibid muutunud kriitilise tähtsusega. Traditsioonilised kiibid kannatavad nanoskaala paksuse juures isolatsiooni halvenemise all, mis põhjustab voolulekkeid, suurenenud energiatarbimist ja ülekuumenemist, mis omakorda kahjustab stabiilsust ja eluiga.
Hiina Teaduste Akadeemia Shanghai Mikrosüsteemide ja Infotehnoloogia Instituudi (SIMIT) teadlased töötasid välja metallide interkalatsiooniga oksüdatsioonitehnoloogiat kasutades tehislikke safiir-dielektrilisi vahvleid, mis muundavad monokristalli alumiiniumi monokristalseks alumiiniumoksiidiks (safiiriks). 1 nm paksusel materjalil on ülimadal lekkevool, mis ületab tavapäraseid amorfseid dielektrikuid kahe suurusjärgu võrra olekutiheduse vähendamisel ja parandab liidese kvaliteeti 2D pooljuhtidega. Selle integreerimine 2D materjalidega võimaldab luua väikese energiatarbega kiipe, pikendades oluliselt nutitelefonide aku tööiga ja parandades stabiilsust tehisintellekti ja asjade interneti rakendustes.
(2) Galliumnitriidi (GaN) ideaalne partner
Pooljuhtide valdkonnas on galliumnitriid (GaN) oma ainulaadsete eeliste tõttu säravaks täheks kerkinud. Laia keelutsooniga pooljuhtmaterjalina, mille keelutsoon on 3,4 eV – oluliselt suurem kui räni 1,1 eV – sobib GaN suurepäraselt kõrgtemperatuuri, kõrgepinge ja kõrgsageduslike rakenduste jaoks. Selle suur elektronide liikuvus ja kriitilise läbilöögivälja tugevus muudavad selle ideaalseks materjaliks suure võimsusega, kõrgtemperatuuri, kõrgsageduse ja suure heledusega elektroonikaseadmete jaoks. Võimsuselektroonikas töötavad GaN-põhised seadmed kõrgematel sagedustel ja väiksema energiatarbimisega, pakkudes suurepärast jõudlust võimsuse muundamise ja energiahalduse osas. Mikrolaineahjus sides võimaldab GaN suure võimsusega ja kõrgsageduslike komponentide, näiteks 5G võimsusvõimendite, kasutamist, parandades signaali edastamise kvaliteeti ja stabiilsust.
Safiirkristalli peetakse GaN-i „ideaalseks partneriks“. Kuigi selle võre mittevastavus GaN-iga on suurem kui ränikarbiidil (SiC), on safiiralustel GaN-i epitaksial väiksem termiline mittevastavus, mis pakub stabiilset alust GaN-i kasvuks. Lisaks hõlbustavad safiiri suurepärane soojusjuhtivus ja optiline läbipaistvus tõhusat soojuse hajumist suure võimsusega GaN-seadmetes, tagades töö stabiilsuse ja optimaalse valgusväljundi efektiivsuse. Selle suurepärased elektriisolatsiooni omadused minimeerivad veelgi signaali häireid ja võimsuskadu. Safiiri ja GaN-i kombinatsioon on viinud suure jõudlusega seadmete, sealhulgas GaN-põhiste LED-ide, mis domineerivad valgustus- ja ekraaniturgudel – alates kodumajapidamises kasutatavatest LED-pirnidest kuni suurte välistingimustes kasutatavate ekraanideni – ning optilise side ja täppislasertöötluse laserdioodide väljatöötamiseni.
XKH GaN-safiirplaadil
Pooljuhtide rakenduste piiride laiendamine
(1) „Kilp” sõjalistes ja lennundusrakendustes
Sõja- ja lennundusrakenduste seadmed töötavad sageli äärmuslikes tingimustes. Kosmoses peavad kosmoseaparaadid taluma peaaegu absoluutset nulli temperatuure, intensiivset kosmilist kiirgust ja vaakumkeskkonna väljakutseid. Samal ajal seisavad sõjalennukid silmitsi üle 1000 °C pinnatemperatuuridega, mis on tingitud aerodünaamilisest kuumenemisest kiirel lennul, samuti suurtest mehaanilistest koormustest ja elektromagnetilistest häiretest.
Safiirkristalli ainulaadsed omadused muudavad selle ideaalseks materjaliks nende valdkondade kriitiliste komponentide jaoks. Selle erakordne kõrge temperatuuritaluvus – talub kuni 2045 °C, säilitades samal ajal konstruktsiooni terviklikkuse – tagab usaldusväärse jõudluse termilise koormuse korral. Selle kiirguskindlus säilitab ka funktsionaalsuse kosmilises ja tuumakeskkonnas, kaitstes tõhusalt tundlikku elektroonikat. Need omadused on viinud safiiri laialdase kasutamiseni kõrge temperatuuriga infrapunaakendes (IR). Raketijuhtimissüsteemides peavad IR-aknad säilitama optilise selguse äärmise kuumuse ja kiiruse korral, et tagada täpne sihtmärgi tuvastamine. Safiirpõhised IR-aknad ühendavad kõrge termilise stabiilsuse suurepärase IR-läbilaskvusega, parandades oluliselt juhtimise täpsust. Lennunduses kaitseb safiir satelliitide optilisi süsteeme, võimaldades selget pildistamist karmides orbiiditingimustes.
XKH-dsafiir-optilised aknad
(2) Ülijuhtide ja mikroelektroonika uus alus
Ülijuhtivuse seisukohast on safiir ülijuhtivate õhukeste kilede asendamatu alusmaterjal, mis võimaldab nulltakistusega juhtivust – mis on revolutsiooniline jõuülekannetes, maglev-rongides ja magnetresonantstomograafiasüsteemides. Suure jõudlusega ülijuhtivad kiled vajavad stabiilse võrestruktuuriga alusmaterjale ning safiiri ühilduvus selliste materjalidega nagu magneesiumdiboriid (MgB₂) võimaldab kasvatada kilesid, millel on parem kriitilise voolutihedus ja kriitiline magnetväli. Näiteks safiiriga toetatud ülijuhtivaid kilesid kasutavad toitekaablid parandavad oluliselt ülekande efektiivsust, minimeerides energiakadu.
Mikroelektroonikas võimaldavad spetsiifiliste kristalograafiliste orientatsioonidega safiirpinnad – näiteks R-tasand (<1-102>) ja A-tasand (<11-20>) – luua täiustatud integraallülituste (IC) jaoks kohandatud räni epitaksiaalkihte. R-tasand safiir vähendab kiirete integraallülituste kristallidefekte, suurendades töökiirust ja stabiilsust, samas kui A-tasand safiiri isoleerivad omadused ja ühtlane läbilaskvus optimeerivad hübriidmikroelektroonikat ja kõrgtemperatuursete ülijuhtide integreerimist. Need aluspinnad on kõrgjõudlusega andmetöötluse ja telekommunikatsiooni infrastruktuuri põhikiipide aluseks.
XKH'sAlN-on-NPSS vahvel
Safiirkristalli tulevik pooljuhtides
Safiir on juba näidanud üles tohutut väärtust pooljuhtide valdkonnas, alates kiipide valmistamisest kuni lennunduse ja ülijuhtideni. Tehnoloogia arenedes laieneb selle roll veelgi. Tehisintellekti valdkonnas on safiirtoega väikese energiatarbega, kuid suure jõudlusega kiibid tehisintellekti edusammud tervishoius, transpordis ja rahanduses. Kvantarvutuses positsioneerivad safiiri materjali omadused seda paljulubava kandidaadina kubiti integreerimiseks. Samal ajal vastavad GaN-safiirseadmed 5G/6G side riistvara kasvavale nõudlusele. Edaspidi jääb safiir pooljuhtide innovatsiooni nurgakiviks, andes hoogu inimkonna tehnoloogilisele arengule.
XKH GaN-on-safiir epitaksiaalne vahvel
XKH pakub täppiskonstruktsiooniga safiiroptilisi aknaid ja GaN-on-safiirplaatide lahendusi tipptasemel rakenduste jaoks. Kasutades patenteeritud kristallide kasvatamise ja nanoskaala poleerimise tehnoloogiaid, pakume ülitasaseid safiiraknaid, millel on erakordne läbilaskvus UV- ja IR-spektritest, mis sobivad ideaalselt lennunduse, kaitse ja suure võimsusega lasersüsteemide jaoks.
Postituse aeg: 18. aprill 2025