Сапфир для великана
Ученые харьковского НТК «Институт монокристаллов» вырастили самый крупный в мире прямоугольный сапфир
В романе Джонатана Свифта королева из Страны великанов в знак благоволения подарила Гулливеру золотое кольцо со своего мизинца. Колечко было такой величины, что годилось знаменитому путешественнику разве что на шею. Достойный подарок королеве великанов могли бы сделать ученые НТК «Институт монокристаллов» НАН Украины. Они вырастили в своей лаборатории самый крупный в мире прямоугольный сапфир, размеры которого 350?500?50 миллиметров, а вес — 45 килограммов.
Ученые харьковского НТК «Институт монокристаллов» вырастили самый крупный в мире прямоугольный сапфир
В романе Джонатана Свифта королева из Страны великанов в знак благоволения подарила Гулливеру золотое кольцо со своего мизинца. Колечко было такой величины, что годилось знаменитому путешественнику разве что на шею. Достойный подарок королеве великанов могли бы сделать ученые НТК «Институт монокристаллов» НАН Украины. Они вырастили в своей лаборатории самый крупный в мире прямоугольный сапфир, размеры которого 350?500?50 миллиметров, а вес — 45 килограммов.
Что на «Горизонте»?
Такой гигантский кристалл можно получить только методом горизонтальной направленной кристаллизации по оригинальной технологии, разработанной харьковскими учеными.
Этим экземпляром харьковчане начинают производство не имеющих аналогов крупных сапфиров для работы в агрессивных средах, под большим давлением, в аэрокосмической технике, самолетостроении и при массовом изготовлении подложек для светодиодов. По оценкам специалистов, в ближайшие годы объемы производства дешевых крупногабаритных сапфировых элементов необходимо увеличить в несколько раз. Установку «Горизонт-5» для серийного выращивания гигантских сапфиров по техническому заданию НТК «Институт монокристаллов» НАНУ разработало и изготовило государственное предприятие ЦКБМ «Донец» в Луганске.
Как они работают
Сапфиры используются в производстве эффективных электролюминесцентных источников света. По совокупности светотехнических характеристик они в 14—15 раз превосходят лампы накаливания. По оценкам специалистов, это одна из наиболее перспективных энергосберегающих технологий современности.
В оптике, работающей в экстремальных условиях, сапфир уже признан безальтернативным материалом и активно приходит на смену кварцу. Это оборудование, в котором используются высокие давления и агрессивные среды, проекционное телевидение, окна сканеров кассовых аппаратов.
Сапфир — из глинозема
— Георгий Тимофеевич, чем объяснить тот факт, что в последние три десятилетия из красивого драгоценного камня сапфир превратился в один из перспективнейших конструкционных материалов XXI столетия? — спрашиваю заведующего лабораторией по выращиванию крупногабаритных монокристаллов лейкосапфира отдела №15 Института монокристаллов НАНУ, лауреата Государственной премии Украины в области науки и техники, кандидата физико-математических наук Георгия Адонкина.
— Это произошло благодаря двум факторам: возможности выращивать сапфиры искусственно и уникальному сочетанию свойств этого монокристалла. Он обладает высокой прозрачностью в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областях спектра и высокими диэлектрическими свойствами. Кроме того, сапфир имеет высокую твердость, износостойкость и теплопроводность, радиационную и химическую стойкость. И наконец, он биоинертен. Все эти характеристики и определили возможность широкого применения кристалла в современной оптике, оптоэлектронике, микроэлектронике и медицине.
Это интересно
Не многие знают, что сапфир — это драгоценная разновидность монокристаллического корунда, оксид алюминия. Хотя само слово «сапфир» означает «синий», на самом деле в зависимости от примесей он может иметь фиолетовую, зеленую, желтую, розовую, темно-голубую и даже черную окраску. Бывает и бесцветный сапфир. Именно такая разновидность корунда обычно выращивается искусственно для решения задач науки и техники.
В оптоэлектронике это, в первую очередь, производство эффективных электролюминесцентных источников света, по совокупности светотехнических характеристик в 14—15 раз превосходящих лампы накаливания. В этих устройствах сапфир используется в качестве подложки для нанесения светоизлучающих слоев различных соединений, в частности, нитрида галлия и его твердых растворов. По оценкам специалистов, это одна из наиболее энергосберегающих технологий современности.
Второе перспективное направление использования сапфира — оптика, которая работает в экстремальных условиях. Здесь он является безальтернативным материалом и приходит на смену кварцу. Это оборудование, в котором используются высокие давления и агрессивные среды, проекционное телевидение, окна сканеров кассовых аппаратов…
Уникальные области использования сапфира — аэрокосмическая техника и прозрачная броня. В этих областях используются сапфировые окна, как правило, больших размеров.
— А как выглядит процесс производства таких больших прямоугольных сапфиров?
— Внешне он выглядит просто. В молибденовый тигель ростовой установки загружается сырье — предварительно обработанный и очищенный отечественный глинозем, а также так называемый затравочный кристалл. Это своего рода эталон, который передает по наследству выращиваемому сапфиру свое структурное совершенство и определенную ориентацию кристаллической решетки, необходимую заказчику. При весе сапфира 45 кг необходимо около 50 кг глинозема. Под воздействием высокой температуры (20500С), которую обеспечивают специальные нагревательные элементы, сырье в установке плавится. Кристалл растет 10 дней (именно столько длится цикл его производства от подготовки установки к работе до ее вскрытия после полного остывания) со скоростью 8 миллиметров в час. Весь процесс происходит «под присмотром» автоматики, хотя в случае необходимости человек может в него вмешаться.
— Судя по тому, что больше никому в мире не удается получать такие крупные сапфиры, процесс их выращивания только выглядит простым…
— Конечно. Например, для установки «Горизонт-5» разработан тепловой узел принципиально новой конструкции с оригинальной системой нагрева. Она состоит из двух самостоятельных, независимо управляемых нагревателей. Один из них стоит над тиглем, в котором растет кристалл, другой – под ним. Соотношение подвода тепла сверху и снизу можно изменять в соответствии с программой. Большой вклад в эту разработку внес начальник отдела №15, доктор технических наук Александр Данько.
Нужно также заметить, что выращивание такого большого сапфира может грозить опасностью его деформации (появлением трещин) из-за остаточного напряжения в образце. Мы избегаем ее благодаря особому режиму его остывания.
Несмотря на все сложности, выращивание таких больших кристаллов экономически выгодно, поскольку по размеру и форме они могут быть максимально приближены к готовому изделию.
— Можно ли увидеть процесс превращения глинозема в сапфир своими глазами?
— Можно. В установке есть специальное окошко, чтобы следить за так называемым фронтом кристаллизации — границей, с одной стороны которой виден жидкий непрозрачный расплав, а с другой — более темный и прозрачный сапфир. После окончания кристаллизации начинается медленное понижение мощности нагревания вплоть до полного остывания. Затем вверху установки поднимается колпак, разбирается тепловой узел и кристалл вынимается.
— Георгий Тимофеевич, а у вас есть изделия из сапфира? Перстень, например?
— Я работаю с сапфирами уже больше 30 лет. За это время в институте выращено в общей сложности примерно 30—40 тонн этих кристаллов разного размера. Однако выращивать по нашей методике камни для ювелирных изделий бессмысленно. Их изготавливают более дешевым и простым газоплазменным способом: сапфиры — до 50 мм в диаметре, а рубины — до 30 мм. Мы же сейчас выращиваем сапфиры, размеры которых — минимум 220 на 240 мм.
Так что перстней у меня нет, а вот в обычных наручных часах вместо стекла стоит, как и у многих, сапфир.
Скорее жив, чем мертв…
Впервые выражение «живой кристалл» употребил профессор Харьковского национального университета им. Каразина Яков Евсеевич Гегузин, издавший в конце 70-х годов прошлого столетия научно-популярную книгу под таким же названием.
Собственно говоря, люди, посвятившие свою жизнь кристаллу, давно воспринимают его живым. Об этом говорят даже используемые специалистами термины, которые пишутся без кавычек. Кристаллы зарождаются, растут, устают, помнят, приспосабливаются к внешним условиям, стареют, отдыхают, захватывают примеси, издают звуки, выражая недовольство… Исследования последних лет показали, что грань между живым и неживым действительно трудно установить. Понятия «кристалл» и «жизнь» не антагонистичны, утверждают ученые. Простейшие живые организмы при определенных условиях могут соединяться в кристаллы.
Возраст некоторых природных кристаллов (в том числе корунда) — не менее 10 миллионов лет. За это время на Земле появился человек, сменялись цивилизации, а природные сапфиры оставались такими же, какими они сформировались до «начала времен».
Легенды и суеверия… Сколько их связано с природными кристаллами! И это неудивительно. Кристаллическое состояние вещества, говорят ученые, — одно из самых загадочных явлений в природе. С одной стороны, оно строго упорядочено: атомы выстроены в ряды, ряды атомов — в плоскости, а атомные плоскости заполняют трехмерное пространство. С другой - такой идеальный порядок может существовать в кристалле только при температуре абсолютного нуля, когда он мертв. При других условиях под твердыми неподвижными гранями скрываются механические движения — колебания, вращения, хаотические поступательные перемещения атомов.
Это неупорядоченное движение, интенсивность которого растет с увеличением температуры, происходит до тех пор, пока кристалл находится в равновесном состоянии. При малейшем же признаке неравновесности (например, появлении царапин, трещинок, неоднородностях в распределении атомов разных сортов или сжатиях) потоки атомов становятся строго направленными. Удивительно, но они подчиняются определенной цели: избавить кристалл от неравновесности — залечить его «раны», дать ему возможность выделить избыточную свободную энергию и перейти в устойчивое состояние.
Именно такая направленность движения атомов в кристалле, не подсказанная ему, а избранная «по собственному разумению», создает ощущение его разумности. Движение залечивает царапину или трещину, сжимаемая часть кристалла делается более тонкой, а неравномерно распределенные чужие атомы «выстраиваются» равномерно. Интересно, что в процессе перемещения атомов по кристаллу могут перемещаться и дефекты, взаимодействуя и сталкиваясь друг с другом. При определенных условиях дефекты могут аннигилировать (взаимно уничтожаться) или превращаться в дефекты другого типа: к примеру, совокупность множества микроскопических пор может обернуться одной макроскопической порой.
Возможно, последнему сапфиру-рекордсмену недолго числиться в чемпионах. Установка «Горизонт-5» потенциально позволяет вырастить еще большие кристаллы сапфира — размером 500?800?50 миллиметров. И это ближайшая сверхзадача харьковских специалистов.