קרמיקה אופטית

קרמיקה אופטית, חומרים תעשייתיים מתקדמים שפותחו לשימוש ביישומים אופטיים.

חומרים אופטיים מפיקים את התועלת שלהם מתגובתם לאור אינפרא אדום, אופטי ואולטרה סגול. החומרים האופטיים המובהקים ביותר הם משקפיים, המתוארים במאמר הזכוכית התעשייתית, אך גם קרמיקה פותחה למספר יישומים אופטיים. מאמר זה סוקר כמה מהיישומים הללו, שניהם פסיביים (למשל חלונות, רדומים, מעטפות מנורות, פיגמנטים) ופעילים (למשל, זרחן, לייזרים, רכיבים אלקטרוניים).

מכשירים פסיביים

חלונות אופטיים ואינפרא אדום

במצבם הטהור, רוב הקרמיקה היא מבודדי פער רחב. משמעות הדבר היא כי קיים פער גדול של מצבים אסורים בין האנרגיה של רמות האלקטרונים הממולאות הגבוהות ביותר לבין האנרגיה של הרמה הבאה ללא כיבוש הגבוהה ביותר. אם פער הפס הזה גדול מאנרגיות אור אופטיות, הקרמיקה הללו תהיה שקופה אופטית (אם כי אבקות וקומפקטיות נקבוביות של קרמיקה כזו יהיו לבנות ואטומות בגלל פיזור האור). שני יישומים של קרמיקה שקופה אופטית הם חלונות לקוראי ברקוד בסופרמרקטים וחלונות ראדום ולייזר אינפרא אדום.

ספיר (צורה חד-גבישית של תחמוצת אלומיניום, Al ₂ O ₃) שימש לחלונות בקופת סופרמרקט. זה משלב שקיפות אופטית עם עמידות בפני שריטות גבוהה. באופן דומה, קרמיקה פולי-קריסטלית שקופה חד-גבונית או אינפרא-אדום, כגון נתרן כלוריד (NaCl), אשלגן כלוריד מסומק רובידיום (KCl), פלואוריד סידן (CaF), וסטרונציום פלואוריד (SrF ₂) שימשו לרדומים אינפרא אדום עמידים לשחיקה חלונות לגלאי אינפרא אדום וחלונות לייזר אינפרא אדום. חומרי הליד פולי-קריסטליים אלה נוטים להעביר אורכי גל נמוכים יותר מאשר תחמוצות, ונמשכים לאזור האינפרא אדום; עם זאת, גבולות התבואה שלהם ונקבוביות מפזרים קרינה. לכן, הם משמשים בצורה הטובה ביותר כגבישים בודדים. אולם ככאלה, הלידות אינן חזקות מספיק עבור חלונות גדולים: הן יכולות לעוות פלסטית תחת משקלן האישי. על מנת לחזק אותם, גבישים יחידים הם בדרך כלל מזויפים חם כדי לגרום לגבולות תבואה נקיים וגדלים גדולים של דגנים, אשר אינם מצמצמים את העברת האינפרא אדום באופן משמעותי אך מאפשרים לגוף להתנגד לעיוות. לחלופין, ניתן להטיל חומר עם דגנים גדולים.

מעטפות מנורה

מנורות פריקה חשמליות, בהן גזים סגורים מונעים באמצעות מתח מיושם ובכך נוצרים לזוהר, הם מקורות אור יעילים במיוחד, אך החום והקורוזיה הכרוכים בפעולתם דוחפים קרמיקה אופטית לגבולות התרמוכימיים שלהם. פריצת דרך משמעותית התרחשה בשנת 1961, כאשר רוברט קובל מחברת החשמל הכללית בארצות הברית הדגים כי ניתן לסינטה אלומינה (פולי-קריסטלית סינתטית, Al ₂ O ₃) לצפיפות אופטית ושקיפות באמצעות מגנזיה (תחמוצת מגנזיום, MgO) כ סיוע סיוע. טכנולוגיה זו איפשרה להכיל את פריקת הנתרן החמה ביותר במנורת אדי הנתרן בלחץ גבוה בחומר עקשן שהעביר גם את האור שלה. הפלזמה בתוך מעטפת מנורת האלומינה הפנימית מגיעה לטמפרטורות של 1,200 מעלות צלזיוס. פליטת אנרגיה מכסה כמעט את כל הספקטרום הנראה לעין, ויוצרת אור לבן בוהק המשקף את כל הצבעים - שלא כמו זו של מנורת אדי הנתרן בלחץ נמוך, שזוהר הענבר שלה נפוץ בשורות הערים הגדולות.

פיגמנטים

ענף הצבעים או הפיגמנט הקרמי הוא ענף מסורתי ותיק. פיגמנטים קרמיים או כתמים עשויים מתרכובות תחמוצת או סלניום בשילוב עם יסודות מתכת-מעבר ספציפיים או אדירים נדירים. קליטת אורכי גל מסוימים של אור על ידי מינים אלה מקנה לתרכובת צבעים ספציפיים. לדוגמה, אלומינט קובלט (CoAl ₂ O ₄) וסיליקט קובלט (Co ₂ SiO ₄) הם כחולים; תחמוצת פח ונדיום (המכונה SnO ₂ מסוממת V) ותחמוצת זירקוניום ונדיום (V-doted ZrO ₂) הם צהובים; כרומייט קובלט (CoCr ₂ O ₃) וגרנט כרום (2CaO · Cr ₂ O ₃ · 3SiO ₂) הם ירוקים; המטיט כרום (CrFe ₂ O ₃) שחור. צבע אדום אמיתי, שאינו זמין בחומרי סיליקט טבעיים, נמצא בתמיסות מוצקות של קדמיום גופרתי וקדמיום סלניום (CdS-CdSe).