蓝宝石晶体生长技术

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1、蓝宝石晶体生长技术蓝宝石英文名称为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。一、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

2、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（BlueSapphire）。当晶体内含有铬离子(Cr3+)时，会使晶体呈现红

3、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。基本结构二、蓝宝石Al2O3分子结构蓝宝石晶体结构图（其中黑点为氧离子，白点为铝离子）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=1.2991nm，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)

4、、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。基本性质（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

5、石单晶材料的穿透波长范围为0.19nm-5.5nm，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。（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。晶体性能化学式Al2

6、O3晶体结构六方晶系晶格常数a=b=0.4758nm，c=1.2991nmα=β=90°，γ=120°空间群R3c单位晶胞中的分子数2光学性能透过波段（μm）0.14-6（其中在0.3-5范围内T≈80%）dn/dt（/K@633nm)13x10-6折射率n0=1.768ne=1.760吸收系数α3μm—0.00064μm—0.0555μm—0.92折射系数n3μm—1.7134μm—1.6775μm—1.627机械和热学性能密度（g/cm3）3.95—4.1莫氏硬度9（仅次于钻石：10）杨氏模量（GPa-1）380断裂强度（MPa

7、-1）400弯曲强度895MPa抗压强度2GPa熔点（℃）2040—2050沸点（℃）3000热导率（W·m-1·K-1）24热膨胀系数(K-1)8.8×10-6比热(J/g)0.782热容(J/mol·K)77泊松比0.27—0.29电阻率（Ω·cm）1014介电常数（F·m-1）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轴侧面看三、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（sub

8、stratematerials），主要用作半导体薄膜衬底材料、大规模集成电路衬底等。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(windowmaterials)，优质光学材料