泡生法生长蓝宝石的原理和应用研究

泡生法生长蓝宝石的原理和应用研究
摘要：蓝宝石以独特的晶体结构而具有许多优异的性能，比如硬度高、耐磨性化学也稳定和耐热性好等。

本文简要叙述了用于生长高质量蓝宝石晶体的生长技术。

详细介绍了泡生法生长高质量无色蓝宝石的原理、生长工艺和技术要点，讨论了高质量无色蓝宝石应用前景。

关键词：泡生法；蓝宝石；晶体生长；原理；应用
1引言
20世纪后半叶，单晶技术的发展推动材料科学其他分支的迅速发展--晶体材料，蓝宝石是一种多功能的材料，其原材料便宜、生长过程资源能耗低、无环境污染、生物兼容性较好，有越来越多的研究者去研究和发展[1]。

蓝宝石，α-Al2O3单晶，又称“刚玉”，其莫氏硬度为9；当晶体含有不同微量元素时，就会显示不同颜色。

例如，掺杂Ti4+或Fe2+显现蓝色，掺杂Cr3+显现红色，掺杂Ni3+显现黄色。

蓝宝石高强度、高硬度、高透过率(从0.195～5.5μm 波段均能透过)、耐冲刷、耐腐蚀、耐高温(在接近2000 ℃下仍可工作)，在红外军事装置、卫星空间技术、空间飞行器、高强度激光窗口材料、超声波传导元件、微波电子管介质材料及精密仪器轴承等行业得到广泛的应用；蓝宝石独特的晶格结构、优异的力学性能、良好的热力学性能使其成为最理想的发光二极管(LED)半导体，以及大规模集成电路SOI 和SOS及超导纳米结构薄膜的衬底材料[2]。

蓝宝石晶体最早被AugusteVerneuil人为生长出来，并将其扩大到商业化生产[3]。

到今天，蓝宝石的生长已有100多年的历史，市场对蓝宝石的需求量有增无减，这对蓝宝石生长方法也提出了更苛刻的要求。

目前主要的生长方法有：焰熔法、提拉法、泡生法、热交换法、垂直布里奇曼法(VB)等。

只有对这些方法的进一步探索研究，才能推动蓝宝石产业不断进步发展。

2泡生法的原理与工艺
2.1原理
泡生法(Kyropoulos method)于1926年由Kyropouls发明，经过科研工作者几十年的不断改造和完善，是目前解决晶体提拉法不能生产大晶体的好方法之一[4]。

其晶体生长的原理(图1)和技术特点是：将晶体原料放入耐高温的坩埚中加
热熔化，调整炉内温度场，使熔体上部
处于稍高于熔点的状态；使籽晶杆上的
籽晶接触熔融液面，待其表面稍熔后，
降低表面温度至熔点，提拉并转动籽晶
杆，使熔体顶部处于过冷状态而结晶于
籽晶上，在不断提拉的过程中，生长出
圆柱状晶体[5]。

泡生法与提拉法生长晶
体在技术上的区别是:
(1)晶体直径 在扩肩时前者的晶体直径较大，可生长出100 mm 以上直径的蓝宝石晶体，而后者则有些难度；
(2)晶体方向 前者对生长大尺寸、有方向性的蓝宝石晶体拥有更大的优势；
(3)晶体质量 泡生法生长系统拥有适合蓝宝石晶体生长的最佳温度梯度。

在生长的过程中或结束时，晶体不与坩埚接触，可获得高质量的大晶体，其缺陷密度远低于提拉法生长的晶体，且两者生长晶体的形状也不同(图2和图3)。

2.2工艺
2.2.1将纯净的原料装入坩埚中。

坩埚上方装有可旋转和升降的提拉杆，杆的下端有一个籽晶夹具，在其上装有一粒定向的无色蓝宝石籽晶（注：生长无色蓝宝石时不添加致色剂，籽晶也采用无色蓝宝石）；
2.2.2将坩埚加热到2050℃以上，降低提拉杆，使籽晶插入熔体中；
2.2.3控制熔体的温度，使液面温度略高于熔点，熔去少量籽晶以保证晶体能在清洁的籽晶表面上生长；
2.2.4在实现籽晶与熔体充分沾润后，使液面温度处于熔点，缓慢向上提拉和转
图2 提拉法生长的蓝宝石晶体
图1泡生法生长的蓝宝石晶体装置 图3 泡生法生长的蓝宝石晶体
动籽晶杆；控制拉速和转速，籽晶逐渐长大；
2.2.5 小心地调节加热功率，使液面温度等于熔点，实现宝石晶体生长的缩颈—扩肩—等径生长—收尾全过程。

整个晶体生长装置安放在一个外罩内，以便抽真空后充入惰性气体，保持生长环境中需要的气体和压强。

通过外罩上的窗口观察晶体的生长情况，随时调节温度，保证生长过程正常进行。

3技术要点
蓝宝石晶体结构存在两个主要的滑移体系：底面滑移系和柱面滑移系。

因此，在其生长工艺中，合理地选择温场的温度梯度和晶体生长方向将对晶体质量产生关键的影响。

4蓝宝石的应用
蓝宝石优异的热学、光学、电学及力学等性能，使其在各行各业都得到了广泛的应用，在各领域都不可或缺[6]。

4.1在珠宝行业的应用
随着社会和科技的发展，人们对生活水平逐渐提高，珠宝不仅是美观的需要，也是地位的象征，这也使得珠宝业蒸蒸日上。

宝石外观漂亮，得到广大人群的喜爱。

不过，最初的宝石都是从自然界直接获取而得，其形成时间长，数量较少，不能满足市场需求。

蓝宝石中可掺杂不同的元素可生长不同颜色的晶体来制造不
同颜色的宝石，有利于增加了宝石的产量、种类。

人工宝石价格相对便宜，满足了市场不同层次的消费者的需求。

目前可利用一些先进的技术对蓝宝石晶体的改色，从而提高宝石的利用率。

4.2 材料工程应用
由于人造刚玉具有高耐磨性，最初被应用于钟表业，可用来制作钟表的镜面。

随着研究的深入，人们发现蓝宝石具有高耐磨性、高硬度、高耐温性、耐腐蚀性等性能，其还可以用来制作发动机、泵的轴承，便于输送腐蚀性液体或气体。

现代技术采用水流喷射来切割陶瓷、固体合金等技术，如：核弹头、军用火箭、等。

其切割质量的好坏取决于喷嘴大小的稳定性，钢制喷嘴工作一天就被磨损，而蓝宝石制作的喷嘴使用寿命达30天以上。

此外，蓝宝石还可用于制作切割机、等。

4.3 光学材料应用
蓝宝石晶体是一种优异的透波材料，在紫外、可见光、红外、微波波段均有良好
的透过率，是不可多得的光学材料。

用蓝宝石单晶制作的红外光学窗口和整流罩，已广泛用于机载、星载、舰载以及潜基、路基光电设备[7]，尤其在高马赫数导弹整流、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。

蓝宝石制作的掺钛蓝宝石激光器也广泛应用于军事工程中的激光测距、红外对抗、光电干扰、致盲武器等领域。

还用于环境监测、激光通信、海洋监测等领域。

蓝宝石渗入科学技术的各行各业，除了以上的应用外，蓝宝石良好的热释性和光释性也对相应的探测器和剂量计的发展起到促进作用；其优良的机械性能可制备高温超导薄膜、红外光学材料、微电子器件等的最优异的基片和衬底材料，尤其在LED(发光二极管)的应用。

医学上，蓝宝石独特的电解被动性、生物兼容性、耐腐蚀性以及高硬度使其在医学植入、外科手术、医疗器械制造等方面也得到越来越多的应用。

5蓝宝石的发展趋势
由于蓝宝石的高硬度，如果将柱状蓝宝石单晶加工成复杂形状、特殊用途的产品(如整流罩)，将会提高加工成本，降低了材料利用率。

为了降低蓝宝石的加工成本和提高材料利用率，采用导模法和热交换法生长尺寸和形状与制品相近的蓝宝石晶体。

现有制备方法的完善与改进，以及能够生长出高质量且符合所需形状蓝宝石单晶毛坯的近尺寸成型生长技术应是将来研究的重点之一。

多晶氧化铝替代蓝宝石晶体，多晶氧化铝虽在光学性能上略逊于蓝宝石单晶，但其机械韧性及硬度都明显高于蓝宝石单晶。

随着对多晶氧化铝研究的逐步深入，烧结工艺及等静压处理成型技术的日趋成熟，以及其综合性能的不断提高和完善，透明多晶氧化铝陶瓷可望替代蓝宝石单晶用于军用和民用等诸多领域。

参考文献
[1]Elena R Dobrovinskaya,Leonid A Lytuynov,ValeriaPishchik．Sapphire：
Material,Manufacturing,Applications[M] .Springer Science +Business Media,2009.1-2．
[2]李留臣，冯金生．我国蓝宝石晶体生长技术的现状与发展趋势[J]．人工晶体学报，2012，41：221-226．
[3]Mark S．Akselrod，Frank J．Bruni．Modern trends in crystal growth and new applications of sapphire[J]．Journal of crystal growth，2012(360)：134-145．
[4]范志刚，刘建军，肖昊苏，等．蓝宝石单晶的生长技术及应用研究进展[J]．硅酸盐学报，2011，39(5)：880-891．
[5]林健，牛沈军，兰天平．VB-Ga As 单晶生长技术[J]．技术专栏，2007，32(4)：293-296．
[6]吴绍华，李常成，夏丽昆，等．蓝宝石晶体材料的光电应用及发展趋势[J].云光
术,2012,44(2)：1-7．
[7]聂辉,陆炳哲.蓝宝石及其在军用光电设备上的应用[J].舰船电子工程，2005.02:131-133。