文档介绍：蓝宝石晶体生长方法概论
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蓝宝石(Sapphire)是刚玉宝石中除红色的红宝石之外,其它颜色刚玉宝石的通称,主要成分是氧化铝(Al2O3)。蓝色的蓝宝石,是由于其中混有少量钛(Ti)和铁(Fe)杂质所致;蓝宝石的颜色,可以有粉红、黄、绿、白、甚至在同一颗石有多种颜色。
蓝宝石最大的特点是颜色不均,可见平行六方柱面排列的,深浅不同的平直色带和生长纹。聚片双晶发育,常见百叶窗式双晶纹。裂理多沿双晶面裂开。二***强,世界不同产地的蓝宝石除上述共同的特点之外,亦因产地不同各具特色。蓝宝石的产地在泰国、斯里兰卡、马达加斯加、老挝、柬埔寨、中国山东昌乐,海南,重庆江津的石笋山均有发现,其中最稀有的产地应属于克什米尔地区的蓝宝石,而缅甸是现今出产上等蓝宝石最多的地方。如图1所示为蓝宝石晶体。
图1 蓝宝石晶体
蓝宝石晶体的化学成分为氧化铝(α-Al2O3),是由三个氧原子和两个铝原子以共价键型式结合而成,其晶体结构为六方晶格结构,如图2、3、4所示。就颜色而言,单纯的氧化铝结晶是呈现透明无色的,因不同显色元素离子渗透于生长中的蓝宝石,因而使蓝宝石显出不同的颜色。在自然界中当蓝宝石在生长时,晶体内含有钛离子(Ti3+)与铁离子(Fe3+)时,会使晶体呈现蓝色,而成为蓝色蓝宝石(Blue Sapphire)。当晶体内含有铬离子(Cr3+)时,会使晶体呈现红色,而成为红宝石(Ruby)。又当晶体内含有镍离子(Ni3+)时,会使晶体呈现黄色,而成为黄色蓝宝石。
图2 Al2O3分子结构图及蓝宝石晶体结构上视图
图3 蓝宝石晶体结构侧视图及蓝宝石晶体切面图
图4 蓝宝石结晶面示意图
蓝宝石晶体的生长方法
自1885年由Fremy、Feil和Wyse利用氢氧火焰熔化天然红宝石粉末与***钾而制成了当时轰动一时的“日内瓦红宝石”,迄今人工生长蓝宝石的研究已有100多年的历史。在此期间,为了适应科学技术的发展和工业生产对于蓝宝石晶体质量、尺寸、形状的特殊要求,为了提高蓝宝石晶体的成品率、利用率以及降低成本,对蓝宝石的生长方法及其相关理论进行了大量的研究,成果显著。至今已具有较高的技术水平和较大的生产能力,为之配套服务的晶体生长设备——单晶炉也随之得到了飞速的发展。晶体尺寸从2寸扩大到目前的12寸。如图5所示,为大尺寸蓝宝石晶体的生长技术发展示意图。
图5 蓝宝石晶体的生长技术发展
蓝宝石单晶因其优良的综合性能而成为最重要的中红外光学材料之一,在军民两用中都具有广泛的应用前景[1]。低成本、高质量地生长大尺寸蓝宝石单晶已成为当前面临的迫切任务。总体说来,蓝宝石晶体生长方式可划分为溶液生长、熔体生长、气相生长三种,其中熔体生长方式因具有生长速率快,纯度高和晶体完整性好等特点,而成为是制备大尺寸和特定形状晶体的最常用的晶体生长方式。目前人工生长蓝宝石晶体的方法主要有焰熔法、提拉法、区熔法、导模法、坩埚移动法、热交换法、温度梯度法、泡生法等。而泡生法工艺生长的蓝宝石晶体约为目前市场份额的70%。LED蓝宝石衬底晶体技术正属于一个处于正在发展的极端,由于晶体生长技术的保密性,其多数晶体生长设备都是根据客户要求按照工艺特点定做。下面简要介绍六种目前国际上主流的蓝宝石晶体生长方法。
泡生法
泡生法简称KY法[2-3],是Kyropoulos于1926年首先提出并用于晶体的生长,此后相当长的一段时间内,该方法都是用于大尺寸卤族晶体、氢氧化物和碳酸盐等晶体的制备与研究。上世纪六七十年代,经前苏联的Musatov改进,将此方法应用于蓝宝石单晶的制备。该方法生长的单晶,外型通常为梨形,晶体直径可以生长到比坩锅内径小10~30mm的尺寸。其原理与提拉法(Czochralski method)类似,先将原料加热至熔点后熔化形成熔汤,再以单晶之晶种(Seed Crystal,又称籽晶棒)接触到熔汤表面,在晶种与熔汤的固液界面上开始生长和晶种相同晶体结构的单晶,晶种以极缓慢的速度往上拉升,但在晶种往上拉晶一段时间以形成晶颈,待熔汤与晶种界面的凝固速率稳定后,晶种便不再拉升,也没有作旋转,仅以控制冷却速率方式来使单晶从上方逐渐往下凝固,最后凝固成一整个单晶晶碇,图6即为泡生法(Kyropoulos method)的原理示意图。
图6 泡生法(Kyropoulos method)原理示意图
泡生法是利用温度控制来生长晶体,它与提拉法最大的差异是只拉出晶颈,晶身部分是靠着温度变化来生长,少了拉升及旋转的干扰,比较好控制过程,并在拉晶颈的同时,调整加热器功率,使熔融的原料达到最合适的长晶温度范围,让生长速度达到最理想化,因而长出品质最理想的蓝宝石单晶。在晶体生长过程