蓝宝石研究

第一章緒論

1.1前言

人類社會發展的歷史證明，材料（Materials）是社會進步的物質基礎與先導。

材料的不斷發展與進步一直是人類社會前進的重要基礎之一，它是人類賴以生存和不斷發展、進步與征服自然的物資基礎，同時又是人類社會發展的先導，是人類進步的里程碑。從人類的發展史看，當社會發展向材料提出更新更高的要求時，可以促進新材料的發展；每一種重要的新材料的發現與應用，即代表人類朝向更美好的明日又多邁進一步[1]。

材料可以有巨觀（Macroscopy）、微觀（Microscopy）和介觀（Mesoscopy）三個基本層次。介觀（Mesoscopy System）這一概念，起源於20世紀70年代末和80年代初，是在研究凝聚態（Condensed State）物理中的無序體系中電子輸運時逐步形成的，研究的尺寸介於巨觀和微觀之間，是量子力學（Quantum

Mechanics）、統計物理和巨觀物理整合的研究範圍，而從巨觀到微觀間各層次上的各種結構與缺陷，對材料性質有重要影響[2]。材料科學在其發展過程中揭示了一條基本物理原理：『材料的性質取決於它的結構』，所謂材料的結構（Structure），是指材料的組成單元及其排列和運動方式。它包括形貌（Morphology）、化學成份、相組成、晶體結構（Crystal Structure）和缺陷（Defect）等內涵。在領域內，人們在材料學與工程發展的歷程中應用了不同的名詞來表示材料的結構，例如成分（或組成）、組織、相結構等，而原子結構與電子結構是研究材料特性的兩個最基本的物資層次[3]。

按照現代的觀點，物質一般分為電漿（Plasma）、氣體、液體和固體四種狀態。

固體和液體透過分子原子間的相互作用而結合在一起，有固定的體積，稱凝聚體（Condensed System）。晶體（Crystal）是最重要的一種凝聚態，以往固態物理（Solid State Physics）中討論的主要內容就是晶體，目前人們已將固體材料擴展到非晶體和準晶體[4]。

本篇論文即在探討晶體分類中，單晶體（Single Crystal）與多晶體（Poly Crystal）兩大類中的單晶體，以研究藍寶石（Sapphire）晶體生長之過程及其物理特性，進而為日後相關生長製程提供更明確之數據與經驗，有助於相關高科技產業的應用與發展。

1.2藍寶石物理特性

藍寶石，英文名稱為Sapphire，源於拉丁文Spphins，是剛玉寶石類中，除紅寶石以外，其它顏色剛玉寶石的通稱，主要成分是氧化鋁（Al2O3），藍色的藍寶石是由於其中混有少量鈦（Ti4+）和鐵（Fe2-）所致，藍寶石的顏色可以有粉紅、黃、綠、白等，甚至在同一顆藍寶石上有複數以上的顏色，普遍這樣的藍寶石經濟價值不高，惟一非藍色而貴重的是一種粉橙色的藍寶石，稱為Padparacha 或Padparadja

[5]。現代的合成技術，在實驗室可以生產出大量的寶石級藍寶石[6]，如下圖一與二所

示：

圖 1 人工合成藍寶石(1)

資料來源：

/wikipedia/commons/6/61/SaphirSynthetique.jpg

圖 2 人工合成藍寶石(2)

資料來源：

/wikipedia/commons/5/5d/Szafir%2C_RPA.jpg

而天然的藍寶石與人工合成的藍寶石，其外觀上較顯著的差別為晶體生長條紋，因合成的藍寶石大都為提拉法，條紋大都為彎曲的，天然的藍寶石為平行的[7]，如下圖三所示：

圖 3 天然藍寶石

資料來源：http://www.gemstones.url.tw/Corundum/SapphireGeneral.htm

圖三所示之天然藍寶石可明顯看見其平行生長條紋，在珠寶產業上算是瑕疵，卻也同時是天然藍寶石的證明[8]，而目前所知最大的天然藍寶石，名為「東方藍巨人」發現於喀什米爾地區，重達486.52克拉（97.3克），預估價為150萬美金[9]，如下圖四所示：

圖 4 世界上最大的天然藍寶石「東方藍巨人」

資料來源：/newyoka/luxury/20196.shtml

藍寶石屬三方晶系，三方晶系示意圖如下圖5所示：

圖 5 三方晶系示意圖

資料來源：/zh-tw/File:Rhombohedral.svg

晶體形態常呈筒狀、短柱狀、板狀等，幾何體多為粒狀或緻密塊狀，透明至半透明玻璃光澤，折光率1.76-1.77，雙折率0.008，二色性強，有時具有特殊的光學效應-星光效應，硬度為9，列理發育[10] [11]，其具有良好的機械、光學及化學性質，如下表一所示：

表 1 藍寶石特性表

因其優異的特性，故常應用在太空、軍事、高解析雷射原件、抗高壓物質...等高科技材料應用上，它的光學穿透帶範圍非常廣，從近紫外光波段190 nm到中紅外光波段5.5μm都具有很好的透光率，一般在0.25 mm至4.5 mm仍然有80 %以上的穿透率，使得它被使用作為光罩材料(optical window material)，一般常使用作為紅外線導熱高速飛彈之光罩[12] [13]。

生長藍寶石單晶主要為α-Al2O3[14]，而藍寶石本身為非等向性（anisotropic）材料，可以由下圖六之晶格結構圖得知[15] [16]：

圖 6 藍寶石晶格結構圖[15] [16]：（a）俯視圖（b）側視圖

由上頁圖六可知，藍寶石因其結構特性，各軸向所能承受應力的程度不同，因在c 軸（0001）所能承受的高溫壓應力最小，所以該方向的單晶較不易生長，一般均生長其他軸向較大直徑之單晶，再以加工方式製造出c軸（0001）之晶片[17]。藍寶石晶體在室溫下的結構為典型的三氧化鉻結構，其點群( point group )結構為S6，而空間群( space group )結構為R3c，其晶格常數為a為0.476 nm，c為1.300 nm，在單位晶格內包含12個鋁原子跟18個氧原子，而其最小晶格( primitive lattice )則為菱方結構( rhombohedral，亦稱為trigonal )，其晶格常數aR為0.514 nm，αR為55˚17'，下圖八為菱方結構原子排列[18]。

圖7 菱方結構原子排列圖[18]