تُصنع بلورات الياقوت من مسحوق الألومينا عالي النقاء بنسبة نقاء تزيد عن 99.995%، مما يجعلها الأكثر طلبًا على الألومينا عالية النقاء. تتميز هذه البلورات بقوة وصلابة عاليتين وخصائص كيميائية مستقرة، مما يُمكّنها من العمل في بيئات قاسية مثل درجات الحرارة العالية والتآكل والصدمات. وتُستخدم على نطاق واسع في الدفاع الوطني، والتكنولوجيا المدنية، والإلكترونيات الدقيقة، وغيرها من المجالات.
من مسحوق الألومينا عالي النقاء إلى بلورات الياقوت
1. التطبيقات الرئيسية للياقوت
في قطاع الدفاع، تُستخدم بلورات الياقوت بشكل رئيسي في نوافذ الأشعة تحت الحمراء للصواريخ. تتطلب الحروب الحديثة دقة عالية في الصواريخ، وتُعدّ نافذة الأشعة تحت الحمراء البصرية عنصرًا أساسيًا لتحقيق هذا المطلب. ونظرًا لتعرض الصواريخ لحرارة هوائية شديدة واصطدامات أثناء الطيران عالي السرعة، بالإضافة إلى بيئات قتالية قاسية، يجب أن تتمتع قبة الرادار بقوة عالية ومقاومة للصدمات، وقدرة على تحمل التآكل الناتج عن الرمال والأمطار وغيرها من الظروف الجوية القاسية. وقد أصبحت بلورات الياقوت، بفضل نفاذيتها الممتازة للضوء وخصائصها الميكانيكية الفائقة وخصائصها الكيميائية المستقرة، مادة مثالية لنوافذ الأشعة تحت الحمراء للصواريخ.
تُمثل ركائز LED أكبر استخدام للياقوت. تُعتبر إضاءة LED الثورة الثالثة بعد مصابيح الفلورسنت ومصابيح توفير الطاقة. يعتمد مبدأ عمل مصابيح LED على تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ضوئية. عند مرور التيار الكهربائي عبر شبه موصل، تتحد الثقوب والإلكترونات، مُطلقةً طاقة زائدة على شكل ضوء، مما يُنتج في النهاية الإضاءة. تعتمد تقنية رقائق LED على الرقائق الفوقية، حيث تُرسب المواد الغازية طبقة تلو الأخرى على ركيزة. تشمل مواد الركيزة الرئيسية ركائز السيليكون، وركائز كربيد السيليكون، وركائز الياقوت. من بين هذه المواد، تتميز ركائز الياقوت بمزايا كبيرة مقارنةً بالنوعين الآخرين، بما في ذلك استقرار الجهاز، وتقنية التحضير المتطورة، وعدم امتصاص الضوء المرئي، ونفاذية الضوء الجيدة، والتكلفة المعقولة. تُظهر البيانات أن 80% من شركات LED العالمية تستخدم الياقوت كمادة ركيزة.
بالإضافة إلى التطبيقات المذكورة أعلاه، يتم استخدام بلورات الياقوت أيضًا في شاشات الهواتف المحمولة، والأجهزة الطبية، وتزيين المجوهرات، وكمواد نوافذ لمختلف أدوات الكشف العلمية مثل العدسات والمناشير.
2. حجم السوق والآفاق
بفضل دعم السياسات وتوسع تطبيقات رقائق LED، من المتوقع أن يحقق الطلب على ركائز الياقوت وحجم سوقها نموًا مضاعفًا. وبحلول عام 2025، من المتوقع أن يصل حجم شحنات ركائز الياقوت إلى 103 ملايين قطعة (مُحوّلة إلى ركائز بقياس 4 بوصات)، وهو ما يمثل زيادة بنسبة 63% مقارنة بعام 2021، بمعدل نمو سنوي مركب قدره 13% بين عامي 2021 و2025. ومن المتوقع أن يصل حجم سوق ركائز الياقوت إلى 8 مليارات ين ياباني بحلول عام 2025، بزيادة قدرها 108% مقارنة بعام 2021، بمعدل نمو سنوي مركب قدره 20% بين عامي 2021 و2025. وباعتبارها "السلف" للركائز، فإن حجم سوق بلورات الياقوت واتجاه نموها واضحان.
3. تحضير بلورات الياقوت
منذ عام ١٨٩١، عندما اخترع الكيميائي الفرنسي فيرنويل أ. طريقة الاندماج باللهب لإنتاج بلورات الأحجار الكريمة الاصطناعية لأول مرة، امتدت دراسة نمو بلورات الياقوت الاصطناعي لأكثر من قرن. خلال هذه الفترة، دفعت التطورات العلمية والتكنولوجية إلى إجراء أبحاث مكثفة في تقنيات نمو الياقوت لتلبية المتطلبات الصناعية لجودة بلورات أعلى، وتحسين معدلات الاستخدام، وخفض تكاليف الإنتاج. ظهرت طرق وتقنيات جديدة مختلفة لنمو بلورات الياقوت، مثل طريقة تشوكرالسكي، وطريقة كيروبولوس، وطريقة النمو المغذي بغشاء ذي حافة محددة (EFG)، وطريقة التبادل الحراري (HEM).
3.1 طريقة تشوكرالسكي لتنمية بلورات الياقوت
طريقة Czochralski، التي ابتكرها Czochralski J. في عام 1918، تُعرف أيضًا باسم تقنية Czochralski (المختصرة باسم طريقة Cz). في عام 1964، طبق بولادينو إيه إي وروتر بي دي هذه الطريقة لأول مرة لتنمية بلورات الياقوت. حتى الآن، أنتجت عددًا كبيرًا من بلورات الياقوت عالية الجودة. يتضمن المبدأ صهر المادة الخام لتكوين مصهور، ثم غمس بذرة بلورة واحدة في سطح المصهور. بسبب اختلاف درجة الحرارة عند السطح البيني الصلب والسائل، يحدث التبريد الفائق، مما يتسبب في تصلب المصهور على سطح البذرة والبدء في تنمية بلورة واحدة بنفس بنية البلورة مثل البذرة. يتم سحب البذرة ببطء إلى الأعلى أثناء الدوران بسرعة معينة. أثناء سحب البذرة، يتصلب المصهور تدريجيًا عند الواجهة، مكونًا بلورة واحدة. هذه الطريقة، التي تتضمن سحب بلورة من المصهور، هي إحدى التقنيات الشائعة لإعداد بلورات مفردة عالية الجودة.
تشمل مزايا طريقة تشوكرالسكي ما يلي: (1) معدل نمو سريع، مما يُمكّن من إنتاج بلورات مفردة عالية الجودة في وقت قصير؛ (2) تنمو البلورات على سطح المصهور دون ملامسة جدار البوتقة، مما يُقلل الإجهاد الداخلي بشكل فعال ويُحسّن جودة البلورات. ومع ذلك، فإن أحد العيوب الرئيسية لهذه الطريقة هو صعوبة إنتاج بلورات كبيرة القطر، مما يجعلها أقل ملاءمة لإنتاج بلورات كبيرة الحجم.
3.2 طريقة كيروبولوس لتنمية بلورات الياقوت
طريقة كيروبولوس، التي ابتكرها كيروبولوس عام ١٩٢٦ (واختصارها طريقة كي واي)، تتشابه مع طريقة تشوكرالسكي. تتضمن غمس بلورة بذرة في سطح المصهور وسحبها ببطء لأعلى لتشكيل عنق. بمجرد استقرار معدل التصلب عند نقطة التقاء المصهور والبذرة، يتوقف سحب البذرة أو تدويرها. بدلًا من ذلك، يتم التحكم في معدل التبريد للسماح للبلورة المفردة بالتصلب تدريجيًا من الأعلى إلى الأسفل، لتكوين بلورة مفردة في النهاية.
تنتج عملية كيروبولوس بلورات ذات جودة عالية وكثافة عيوب منخفضة وكبيرة وفعالية من حيث التكلفة.
3.3 طريقة النمو المغذي بالفيلم المحدد بالحافة (EFG) لتنمية بلورات الياقوت
طريقة EFG هي تقنية لنمو البلورات المُشكَّلة. يعتمد مبدأها على وضع مُصهَر عالي درجة الانصهار في قالب. يُسحب المُصهَر إلى أعلى القالب عبر الخاصية الشعرية، حيث يلامس البلورة البذرة. مع سحب البذرة وتصلب المُصهَر، تتشكل بلورة واحدة. يُحدّ حجم وشكل حافة القالب من أبعاد البلورة. وبالتالي، لهذه الطريقة بعض القيود، وهي مناسبة بشكل أساسي لبلورات الياقوت المُشكَّلة، مثل الأنابيب والمقاطع على شكل حرف U.
3.4 طريقة التبادل الحراري (HEM) لتنمية بلورات الياقوت
اخترع فريد شميد ودينيس طريقة التبادل الحراري لتحضير بلورات الياقوت كبيرة الحجم عام ١٩٦٧. يتميز نظام HEM بعزل حراري ممتاز، وتحكم مستقل في تدرج درجة الحرارة في المصهور والبلورة، وسهولة تحكم عالية. يُنتج هذا النظام بلورات ياقوت بسهولة نسبية مع خلع منخفض وكثافة كبيرة.
من مزايا طريقة HEM عدم وجود حركة في البوتقة والبلورة والسخان أثناء النمو، مما يُلغي عمليات السحب، كتلك المُستخدمة في طريقتي Kyropoulos وCzochralski. هذا يُقلل من التدخل البشري ويُجنّب عيوب البلورات الناتجة عن الحركة الميكانيكية. بالإضافة إلى ذلك، يُمكن التحكم في معدل التبريد لتقليل الإجهاد الحراري وما ينتج عنه من تشققات وعيوب خلع في البلورات. تُمكّن هذه الطريقة من نمو بلورات كبيرة الحجم، وهي سهلة التشغيل نسبيًا، وتحمل آفاقًا واعدة للتطوير.
بفضل خبرتها الواسعة في تنمية بلورات الياقوت ومعالجتها الدقيقة، تقدم XKH حلولاً متكاملة لرقائق الياقوت مصممة خصيصاً لتطبيقات الدفاع، ومصابيح LED، والإلكترونيات البصرية. بالإضافة إلى الياقوت، نوفر مجموعة كاملة من مواد أشباه الموصلات عالية الأداء، بما في ذلك رقائق كربيد السيليكون (SiC)، ورقائق السيليكون، ومكونات سيراميك SiC، ومنتجات الكوارتز. نضمن جودةً وموثوقيةً ودعماً فنياً استثنائيين لجميع المواد، مما يساعد عملائنا على تحقيق أداءٍ متطور في التطبيقات الصناعية والبحثية المتقدمة.
وقت النشر: ٢٩ أغسطس ٢٠٢٥