蓝宝石

• 天然蓝宝石可以分为蓝色蓝宝石和艳色（非蓝色）蓝宝 石。宝石市场上把深蓝色和带有紫色的蓝宝石称为“男 性蓝宝石”，浅色蓝宝石称为“女性蓝宝石”。 • 国际宝石界把蓝宝石定为“九月生辰石”，象征忠诚 与坚贞。据说蓝宝石能保护国土和君王免受伤害，有“ 帝王石”之称。
• 世界七大蓝宝石产地： 1.印度克什米尔 2.缅甸抹谷 3.斯里兰卡 4.泰国 5.中国（山东昌乐） 6.澳大利亚 7.柬埔寨马德望
蓝宝石的应用
• 蓝宝石的基本结构
蓝宝石的组成为氧化铝(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，就颜色而 言，单纯的氧化铝结晶是呈现透明无色的，因不同颜色元素离子 渗透与生长中的蓝宝石，因而使蓝宝石显现出不同的颜色。在自 然界中蓝宝石晶体内含有钛离子（Ti3+）与铁离子（Fe3+）时 ，会使晶体呈现而成为蓝色蓝宝石（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。蓝宝石晶体在晶体的对称分类中属于中级晶 族，三方晶系。
(2)掺钛蓝宝石激光器及其应用 掺钛蓝宝石单晶(Ti3+:Al2O3)的激光应用最早于1982年被发现 后，对其研究不断深入，以Ti:Al2O3作为工作物质的各类激光器 也迅速发展。 Ti3+:Al2O3激光器为科学研究提供了便利和灵活的研究工具。 与其他具有竞争优势的激光材料相比，其主要特点是： （1）光谱输出范围从超窄单一频率到宽的带宽，覆盖几百纳米， 可提供超快脉冲(仅为电场的几个振荡)；
(4)蓝宝石光纤传感器及其应用 蓝宝石单晶光纤传感器因其在可见至近红外波段具有良好的光学 传输特性及蓝宝石单晶的耐高温特性，使得蓝宝石光纤可应用于 高温传感和生物医学领域的近红外激光传输。
蓝宝石单晶光纤温度传感器除了具有普通光纤温度传感器的动态 范围大、灵敏度高、响应快、抗电磁干扰等优点外，还可以实现 大范围(室温—2000℃)、高精度(0.2%，1000℃时)、高信噪比 (1×106dB，1000℃时)、大带宽(10kHz)的温度测量，并广泛应 用于等离子体沉积、高频电加热炉及高温热气流等领域。 蓝宝石光纤传感器除了用于测量温度及近红外激光传输外，还可 以连续监测高达1600℃高温环境中系统的运行情况，如：结构 性能、材料劣化，以及测量诸如压强、应力、应变和化学物质浓 度等物化参数。
(3)掺杂蓝宝石单晶热(光)释光材料及其应用 α- Al2O3 :C晶体用于制造热释光探测器主要有以下特点： （1）热释光灵敏度高，为常用热释光晶体LiF:(Mg,Ti)的40—60倍 ；187℃附近的发光峰型单一，有效原子序数相对较低(10.2)； （2）低本底剂量响应临界值(10-6Gy),辐射剂量响应为线性—亚线 性，线性响应范围宽(10-6—10Gy)； （3）α- Al2O3 :C晶体420nm处的发射峰正好处于光电倍增管响应 的最佳峰值，在低剂量条件下， α- Al2O3 :C晶体探测器可重复 使用且无需退火处理。
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蓝宝石单晶最早于20世纪50年代被美国Wisconsin大学的 Daniels发现具有优良的热释光(thermoluminescence，TL)性能 ，但它对γ射线的热释光灵敏度很低。为改善蓝宝石单晶的热释 光性能，相继研制了一系列掺杂的蓝宝石单晶热释光材料，如αAl2O3 :(Mg，Ti，Y)、 α- Al2O3 :Cr和α- Al2O3 : (Si，Ti)。 1990年，Akselrod等采用提拉法生长了一种优良的新型热释光 材料α- Al2O3 :C晶体。1995年，Markey等首次研究了α- Al2O3 :C晶体的光释光(optical stimulated luminescence，OSL)性能。 • 目前，美国Landauer公司研制生产的α- Al2O3 :C热释光剂量计 已被欧美国家广泛使用。 • 国内关于α- Al2O3 :C晶体生长以及α- Al2O3 :C剂量计的研制起 步较晚。2008年，中国科学院上海硅酸盐研究所杨新波等采用 导向温梯法和导模法分别生长了可用于制造高灵敏度热释光探测 器、热释光和光释光探测器的α- Al2O3 :C晶体。
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8.8×10-6 0.782 77 0.27—0.29 1014 11.5（∥c），9.3（⊥c）
蓝宝石晶胞（R面、A面、C面）
常用来做GaN衬底的是不具有极性的C面（0001），因此GaN的极性由制作过程决定 a）从C轴俯看；b）从C轴侧面看
• 蓝宝石的应用 蓝宝石以其综合性能最好，成为使用最广泛的氧化物衬底材料 （substrate materials），主要用作半导体薄膜衬底材料、大规 模集成电路衬底等。
（1）化学稳定性：蓝宝石具有高度的化学稳定性，在绝大多数化 学反应过程中不会被腐蚀。 （2）机械特性：蓝宝石单晶因其高硬度和高强度，可以在温度范 围从超低温至1500℃高温之间的不同环境中保持高强度、耐磨 耗与高度的稳定性。同时是目前已知的硬度最高的氧化物晶体材 料，仅次于金刚石达莫氏9级。
（3）光学透过率：蓝宝石单晶材料的穿透波长范围为0.19nm5.5nm，加之其优异的化学稳定性，抗磨损，高硬度和耐高温等 特性，使蓝宝石制作的窗口片和传感器光学零件广泛应用于高真 空系统、高温炉及其他苛刻的环境。
晶体性能 化学式 Al2O3
晶体结构
晶格常数 空间群 单位晶胞中的分子数 光学性能 透过波段（μm） dn/dt（/K @633nm) 折射率 吸收系数α
六方晶系
a=b=0.4758nm，c=1.2991nm α=β=90°，γ=120° R3c 2 0.14-6（其中在0.3-5范围内T≈80%） 13x10-6 n0=1.768 ne=1.760 3μm—0.0006 4μm—0.055 5μm—0.92 3μm—1.713 4μm—1.677 5μm—1.627
折射系数n
机械和热学性能 密度（g/cm3） 莫氏硬度 3.95—4.1 9（仅次于钻石：10）
杨氏模量（GPa-1）
断裂强度（MPa-1）
380
400
弯曲强度
抗压强度
895MPa
2GPa
熔点（℃）
沸点（℃）
2040—2050
3000
热导率（W· m-1· K-1）
热膨胀系数(K-1) 比热(J/g) 热容(J/mol· K) 泊松比 电阻率（Ω·cm） 介电常数（F· m-1）
Al2O3分子结构
蓝宝石晶体结构图 （其中黑点为氧离子，白点为来自离子）• 蓝宝石的性质
蓝宝石单晶是一种简单配位型氧化物晶体，呈各向异性，属六 方晶系，晶格参数a=b=0.4758nm，c=1.299 1 nm， α=β=90°，γ=120°。 蓝宝石单晶的透光范围为0.14-6.0μm，覆盖真空紫外、可见、 近红外到中红外波段，且在3-5μm波段具有很高的光学透过率； 具有高硬度(仅次于金刚石)、高强度、高热导率、高抗热冲击品 质因子的力学及热学性能；具有耐雨水、沙尘、盐雾等腐蚀的稳 定化学性能；具有高表面平滑度、高电阻率及高介电性能。 这些优良的光学、力学、热学、化学及电学性能决定了它在 军事及民用领域中的重要地位和作用。
蓝宝石衬底缺点
• 晶格失配和热应力失配，这会在外延层中产生大量缺陷，同时给后续 的器件加工工艺造成困难 • 蓝宝石是一种绝缘体，常温下的电阻率大于1011Ω•cm，在这种情况 下无法制作垂直结构的器件；通常只在外延层上表面制作n型和p型电 极； • 蓝宝石的导热性能不是很好（在100℃约为25W/（m•K））。因此在 使用LED器件时，会传导出大量的热量；特别是对面积较大的大功率 器件，导热性能是一个非常重要的考虑因素。为了克服以上困难，很 多人试图将GaN光电器件直接生长在硅衬底上，从而改善导热和导电 性能。
(5)蓝宝石基片和衬底
蓝宝石单晶因其优良的机械性能、介电性能(适中的介电常数 和较低的介电损耗)、化学稳定性以及高表面平滑度而成为制 备高温超导薄膜、红外光学材料、微电子器件等的最优质基 片和衬底材料，具体包括：
• 高温超导薄膜的衬底，如Tl系薄膜TlBa2Ca2Cu3Oy、 Tl2Ba2CaCu2O8； • 红外光学材料的衬底，如近红外材料的碲镉汞晶体(HgCdTe)，Ⅲ-Ⅴ 族化合物的砷化镓(GaAs)、磷化镓(GaP)、氮化镓(GaN)，Ⅱ-Ⅵ族化 合物的硫化锌(ZnS)、硒化锌(ZnSe)、碲化镉(CdTe)、氧化锌(ZnO) 、SiO2及金刚石等； • 大规模集成电路元件及微电子器件的基片，如高亮蓝光LED等。
蓝宝石知识介绍
• 蓝宝石的基础知识 • 蓝宝石的应用 • 蓝宝石的市场现状 • 个人观点
蓝宝石的基础知识
• 蓝宝石英文名称为Sapphire，源于拉丁文Spphins，意 思是蓝色；属于刚玉族矿物，三方晶系。宝石界将红宝 石之外的各色宝石级刚玉都称为蓝宝石。
• 蓝宝石主要成分是氧化铝（Al2O3）。刚玉中因含有铁 （Fe）和钛（Ti）等微量元素，而呈现蓝、天蓝、淡蓝 等颜色，其中以鲜艳的天蓝色者为最好。
（1）光学窗口和整流罩 综合性能优良的红外光学窗口及整流罩是高速飞行器系统中的关 键部件，其材料必须具备在使用波段的高透过、低散射、高硬度 、高强度、低弹性模量，高熔点、高热导率、高抗热冲击品质因 子、低热辐射，耐喷气燃料、冰雹、雨水、海水、盐雾及砂粒的 冲刷和腐蚀，耐强光辐照等一系列优良的综合性能。 金刚石虽有最理想的光学、力学和热学性能，但因体金刚石用作 独立的红外光学窗口和整流罩尚存在一些技术瓶颈而离实际应用 还有一段距离。 氟化镁(MgF2)虽有良好的光学性能及成熟用蓝宝石单晶做成的 红外光学窗口和整流罩，的制备技术，但其机械强度很低。 氮氧化铝(AlON)虽有较高的机械强度，但其截止波长较短，且 其透过率随温度变化明显。 尖晶石(MgAl2O4)虽有较高的熔点及良好的化学稳定性，但其抗 弯强度不高。
（4）热力学特性：2050℃左右的熔点，加之优越的化 学、机械及光学特性，使蓝宝石晶体广泛应用于许多苛 刻的加工环境中。 （5）耐磨损性：由于具有很高的硬度和透明度，是蓝宝 石晶体常用于制作耐磨损窗口或其他精密机械零件。 （6）介电性能：有电介质绝缘、恒定的介电常数。 （7）蓝宝石还具有高拉伸强度、抗冲刷性、热导性、显 著的抗热冲击性等性能。
蓝宝石晶体还是红外军用装置、导弹、潜艇、卫星空间技术、探 测和高功率强激光(laser)等的优良窗口材料(window materials) ，优质光学材料，耐磨轴承材料等，尤其在导弹整流罩、潜艇窗 口和原子钟等军品中具有不可替代的作用。
在其它民用方面，蓝宝石还可用作透明电子材料、灯管及视窗、 半导体晶圆承载装置、热绝缘体、热电偶、紫外红外光学窗口以 及重力波探测仪器。
蓝宝石单晶制作的整流罩已广泛用于机载、星载、舰载以及潜基、 陆基光电设备，尤其在高马赫数导弹整流罩、透明装甲、潜艇窗 口以及高功率强激光等军用设备中的地位和作用不可替代。如： 美国海军战区防御系统截击导弹、斯普林特防御拦截弹(HEDI)、 美国第五代近距空对空导弹(AM–9X)、以色列新一代近战空对空 导弹(Python5)以及已安装于美、德、韩和希腊等国军舰上的导 弹(RM–116RAM)等都使用了蓝宝石整流罩。
（2）宽的可调谐范围，可达400nm； （3）高功率。如对于全固态可调谐Ti3+:Al2O3激光器，天津大 学和中国科学院物理研究所已分别实现6W(其转换率为22.2%)和 6.44W(其转换率为40.25%)的激光输出。
目前，Ti:Al2O3激光器已实现脉冲、准连续、连续、锁模运转，已涉及激光器研 究领域的各个方面，包括：提高输出功率、扩大调谐范围、压缩线宽、稳频 以及提高光束质量等。 Ti:Al2O3激光器在基础学科(如物理学、生物学和化学)研究方面已取得广泛应用 。因Ti:Al2O3激光器的使用，研究化学反应(如：化学键形成与断裂、分子间 能量传递、分子重新构建等所需的时间范围)超快时间表(ultrafast timescales) 的飞秒化学取得了巨大进展；用于超快脉冲放大及光谱相位控制的设备性能 也得到了很大提高。 Ti:Al2O3激光器还应用于非线性物理、太赫兹产生、时间分辨光谱学、频标计量 学、多光子显微镜及生物医学成像等基础研究方面。 Ti:Al2O3激光器在军事与工程方面也应用广泛。如激光测距、光电干扰、红外对 抗、致盲武器等军事领域，以及激光通信、海洋探测、大气环境监测、激光 手术及微加工等诸多领域。