蓝宝石特性

1.2 蓝宝石晶体成分与一般性质

蓝宝石晶体是纯净氧化铝最基本的单晶形态。化学成分是三氧化二铝

(A12O3),晶型为α- A12O3，分子量为101.9612，在20℃时的密度为3.98克/毫升。

蓝宝石的化学性能非常稳定，一般不溶于水和酸、碱腐蚀，只有在高温下（300℃以上）可被氢氟酸（HF）、磷酸（H3PO4）和熔化的氢氧化钾（KOH）所

腐蚀。

蓝宝石的硬度很高，仅次于金刚石。它具有很好的透光性、热传导性和电气

绝缘性，力学性能也很好。

蓝宝石的熔点为2050℃，沸点为3500℃，最高工作温度约1900℃。

1.3蓝宝石的晶体结构

蓝宝石晶体（α- A12O3）是一种简单配位型氧化物晶体，属六方晶系，其

晶格常数为：a=b=0.4785nm，c=1.2991nm，α=β=90°,γ= 120°[6] ,蓝宝石C

面与Ⅲ-Ⅴ和Ⅱ-Ⅵ族沉积薄膜之间的晶格常数失配率小（与GaN之间失配率小于4％）蓝宝石晶体不同取向面的图形如下：

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图1：蓝宝石晶体结构侧面图[7]图2：蓝宝石晶体切面图[8]

图3：A12O3的分子结构图[7]图4：蓝宝石晶体结构上视图[7]

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图5：蓝宝石结晶面示意图[8]

在蓝宝石的应用上，有三个方向面是较为重要的。即C面——（0001）面，r面——（1-102）和a面——（10-10），图5表示出了蓝宝石晶体结构的表示法及重要的方向。

下表表示蓝宝石晶体的一些物理性质：

表1 氧化铝(Al2O3)特性表

分子式Al2O3

密度 3.95-4.1 g/cm3

晶体结构六方晶格

晶格常数 a =4.758Å , c =12.991Å

单位晶胞中的分子数 2

莫氏硬度9 (仅次于钻石:10)

熔点2050 ℃

沸点3500 ℃

热膨胀系数 5.8×10-6 /K

比热0.418 W.s/g/k

热导率25.12 W/m/k (@ 100℃)

折射率no =1.768 ne =1.760

dn/dt 13x10 -6 /K(@633nm)

透光特性T≈80% (0.3～5μm)

介电常数11.5(∥c), 9.3(⊥c)

1.4 蓝宝石晶体的重要性质

1.4.1 蓝宝石的热学性质

1.4.1.1蓝宝石的热膨胀系数

蓝宝石的热膨胀性能具有各向异性的特点，其热膨胀系数随温度的变化如下： 4

图6：蓝宝石晶体热膨胀系数与温度之间的关系[9]从图中可以看出，无论平行于C方向还是垂直于C方向，它的热膨胀系数都不太大，相差也较小。在温度为25℃时，平行于C方向的热膨胀系数为5.3×10-6/度，垂直与C方向的热膨胀系数为4.5×10-6/度。

1.4.1.2蓝宝石的热导率

蓝宝石是一种热传导性能很好的晶体材料，在温度为25℃时，它的热导率为0.86卡/度·厘米·秒。蓝宝石的热导率随温度的变化而变化的曲线图如下图：

图7：蓝宝石热导率随温度变化的曲线图[9]

1.4.2 蓝宝石的电学性质

蓝宝石具有极好的电气绝缘性能。在60赫兹时，它的介电强度是4.8×105；在温度为25℃时，电阻率为1×1011。

5 蓝宝石的节电性能具有各向异性的特点。在温度为25℃和频率1000赫兹的条件下，平行于C方向的介电常数为11.5，垂直于C方向的介电常数为9.3。其介电常数与温度、频率有关，其关系图如下图所示：

图8：蓝宝石介电常数与温度关系图[9]

图9：蓝宝石介电常数与频率的关系图[9] 6 1.4.3 蓝宝石的光学性

1.4.3.1蓝宝石的光学透过性

蓝宝石具有良好的光学透过性，是一种良好的光学晶体材料。用积分球法测量的蓝宝石的总透过率高于95%。光透过率与波长的关系如下图：

图10：蓝宝石光透过率与波长之间的关系[9]

从图中可以看出波长在0.2---5.0微米之间时，光透过性较好。当选用蓝宝石为透光材料时，尽量选波长在0.2---5.0微米之间光。

1.4.3.2蓝宝石的红外透过性

蓝宝石是极好的红外透过材料，其红外透过率与温度之间的关系如下图所示：

图11：蓝宝石红外透过率（%）与温度之间的关系[9]

7 1.4.3.3蓝宝石的折射率

蓝宝石的折射率也具有各向异性的特点，其折射率（λ=5893埃）平行于C 方向为1.768，垂直于C方向为1.760。蓝宝石的折射率与波长之间的关系如下图：

图12:蓝宝石折射率与波长之间的关系图[9]

1.4.3.4蓝宝石色散性

蓝宝石的发散率在波长λ=2.6—3.7微米和温度在880℃的条件下小于

0.02，其色散率与波长之间的关系图如下：

图13：蓝宝石的色散率与波长之间的关系图[9]

8 1.4.3.5蓝宝石的反射性

蓝宝石的反射率与波长之间的关系图如下：

图14：蓝宝石的反射率与波长的关系图[9]

从图中可以看出，在波长小于10微米光通过蓝宝石时，其反射出来的较少，尤其在波长为100微米的光，反射率很小，在随着波长的增加，反射率较大。

1.4.3.6蓝宝石的吸收系数

在不同的温度下，蓝宝石的吸收率与波长之间的关系如下图：

图15：蓝宝石吸收率与波长的关系图[9]

从图中可以看出，蓝宝石对波长小于4微米的光吸收很少。所以波长在3—4微米之间的光，能较好的透过蓝宝石。

9 1.4.4蓝宝石的力学机械性能

蓝宝石具有很好的力学机械性能，在温度为25℃的条件下，对于0.254毫米直径的蓝宝石细丝的抗张力强度为25000公斤/厘米²；压缩强度为31500公斤/厘米²；弹性模量为4.75×106 (±1%)公斤/厘米²；绕曲强度为7100公斤/厘米²。也有较小的摩擦系数，与钢相比，蓝宝石的摩擦系数为0.15。

1.5蓝宝石的化学性能

化学反应的速率是表面能和晶格键强度的函数，取决于表面及表面临近层的破坏程度。损伤层越厚，腐蚀速率越快。

腐蚀速率取决于晶向，同等条件下，C向最快。对于同晶向表面是沿着溶解体顶点的方向的轨迹等斜线移动