【正文】 石產(chǎn)地： （山東昌樂） 藍寶石的組成為氧化鋁 (Al2O3)，是由三個氧原子和兩個鋁原子以共價鍵型式結(jié)合而成，其晶體結(jié)構(gòu)為六方晶格結(jié)構(gòu)，就顏色而言，單純的氧化鋁結(jié)晶是呈現(xiàn)透明無色的，因不同顏色元素離子滲透與生長中的藍寶石，因而使藍寶石顯現(xiàn)出不同的顏色。藍寶石晶體在晶體的對稱分類中屬于中級晶族，三方晶系。 藍寶石單晶的透光范圍為 ，覆蓋真空紫外、可見、近紅外到中紅外波段，且在 35μm 波段具有很高的光學(xué)透過率；具有高硬度 (僅次于金剛石 )、高強度、高熱導(dǎo)率、高抗熱沖擊品質(zhì)因子的力學(xué)及熱學(xué)性能；具有耐雨水、沙塵、鹽霧等腐蝕的穩(wěn)定化學(xué)性能；具有高表面平滑度、高電阻率及高介電性能。同時是目前已知的硬度最高的氧化物晶體材料，僅次于金剛石達莫氏 9級。 （ 6） 介電性能 ：有電介質(zhì)絕緣、恒定的介電常數(shù)。 空間群 R3c 單位晶胞中的分子數(shù) 2 光學(xué)性能 透過波段（ μm） （其中在 T≈80%） dn/dt（ /K 633nm) 13x106 折射率 n0= ne= 吸收系數(shù) α 3μm— 4μm— 5μm— 折射系數(shù) n 3μm— 4μm— 5μm— 機械和熱學(xué)性能 密度（ g/cm3） — 莫氏硬度 9（僅次于鉆石： 10） 楊氏模量（ GPa1） 380 斷裂強度（ MPa1） 400 彎曲強度 895MPa 抗壓強度 2GPa 熔點（ ℃ ） 2040—2050 沸點（ ℃ ） 3000 熱導(dǎo)率（ Wcm） 1014 介電常數(shù)（ F 光學(xué)窗口和整流罩 綜合性能優(yōu)良的紅外光學(xué)窗口及整流罩是高速飛行器系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，其材料必須具備在使用波段的高透過、低散射、高硬度、高強度、低彈性模量，高熔點、高熱導(dǎo)率、高抗熱沖擊品質(zhì)因子、低熱輻射，耐噴氣燃料、冰雹、雨水、海水、鹽霧及砂粒的沖刷和腐蝕，耐強光輻照等一系列優(yōu)良的綜合性能。 尖晶石 (MgAl2O4)雖有較高的熔點及良好的化學(xué)穩(wěn)定性，但其抗彎強度不高。 Ti3+:Al2O3激光器為科學(xué)研究提供了便利和靈活的研究工具。 Ti:Al2O3激光器在基礎(chǔ)學(xué)科 (如物理學(xué)、生物學(xué)和化學(xué) )研究方面已取得廣泛應(yīng)用。如激光測距、光電干擾、紅外對抗、致盲武器等軍事領(lǐng)域，以及激光通信、海洋探測、大氣環(huán)境監(jiān)測、激光手術(shù)及微加工等諸多領(lǐng)域。 1990年， Akselrod等采用提拉法生長了一種優(yōu)良的新型熱釋光材料 α Al2O3 :C晶體。 2022年，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所楊新波等采用導(dǎo)向溫梯法和導(dǎo)模法分別生長了可用于制造高靈敏度熱釋光探測器、熱釋光和光釋光探測器的 α Al2O3 :C晶體。 藍寶石基片和襯底 藍寶石單晶因其優(yōu)良的機械性能、介電性能 (適中的介電常數(shù)和較低的介電損耗 )、化學(xué)穩(wěn)定性以及高表面平滑度而成為制備高溫超導(dǎo)薄膜、紅外光學(xué)材料、微電子器件等的最優(yōu)質(zhì)基片和襯底材料，具體包括： （ 1）高溫超導(dǎo)薄膜的襯底，如 Tl系薄膜 TlBa2Ca2Cu3Oy、 Tl2Ba2CaCu2O8； （ 2）紅外光學(xué)材料的襯底，如近紅外材料的碲鎘汞晶體 (HgCdTe)，Ⅲ Ⅴ 族化合物的砷化鎵 (GaAs)、磷化鎵 (GaP)、氮化鎵 (GaN)， Ⅱ Ⅵ族化合物的硫化鋅 (ZnS)、硒化鋅 (ZnSe)、碲化鎘 (CdTe)、氧化鋅(ZnO)、 SiO2及金剛石等； （ 3）大規(guī)模集成電路元件及微電子器件的基片，如高亮藍光 LED等。襯底尺寸一般不小于 2英寸。因此在使用 LED器件時，會傳導(dǎo)出大量的熱量；特別是對面積較大的大功率器件，導(dǎo)熱性能是一個非常重要的考慮因素。 在其它民用方面，藍寶石還可用作醫(yī)用手術(shù)刀具、精密儀表殼體、精密機械軸承及高檔鐘表、首飾。于是熔體開始在籽晶表面凝固并生長和籽晶相同晶體結(jié)構(gòu)的單晶。 提拉法生長藍寶石單晶的主要優(yōu)點： （ 1）晶體的生長速度快，周期短； （ 2）在晶體生長過程中可方便觀察到單晶的生長情況，即可控制晶體的尺寸； （ 3）單晶在熔體自由表面生長，不與坩堝接觸，可防止坩堝壁的寄生成核； （ 4）可降低位錯密度，提高單晶的完整性。 泡生法 (Kyropoulos method) 先將原料加熱至熔點后熔化形成熔體，再以單晶的籽晶 (Seed Crystal，又稱籽晶棒 )接觸到熔體表面，在籽晶與熔體的固液界面上開始生長和籽晶相同晶體結(jié)構(gòu)的單晶，籽晶以極緩慢的速度往上拉升，但在籽晶往上拉晶一段時間以形成晶頸，待熔體與籽晶界面的凝固速率穩(wěn)定后，籽晶便不再拉升，也沒有作旋轉(zhuǎn)，僅以控制冷卻速率方式來使單晶從上方逐漸往下凝固，最后凝固成一整個單晶晶碇 泡生法 (Kyropoulos method)原理示意圖 泡生法是利用溫度控制來生長晶體，它與提拉法相比，泡生法雖然在晶體生長初期存在部分提拉和放肩過程，但在等徑生長時，晶身部分是靠著不斷降溫形成結(jié)晶動力來生長，不使用提拉技術(shù)，并在拉晶頸的同時，調(diào)整加熱電壓，使熔融的原料達到最合適的長晶溫度范圍，讓生長速度達到最理想化，因而長出質(zhì)量最理想的藍寶石單晶。 泡生法主要缺點是： 為獲得高質(zhì)量的藍寶石單晶，需提高爐腔中坩堝外壁的環(huán)境溫度（即爐腔中的溫度），而該溫度受加熱元件的形態(tài)及加在加熱器上的電壓和電流等因素影響，因而提高溫度必將造成生長設(shè)備的嚴重損耗。 。 泡生法生長晶體的一般步驟： 前置作業(yè) 在實驗開始前必須徹底檢查爐體內(nèi)部是否有異物或雜質(zhì)，因為在晶體生長過程中，爐體內(nèi)的雜質(zhì)或異物會因高溫而造成晶體受到污染，而影響晶體的質(zhì)量，因此在實驗開始之前，必須將爐體清理干凈，降低雜質(zhì)析出的可能性。 架設(shè)籽晶 (籽晶棒， Seed)是將籽晶固定在拉晶桿上，以利下籽晶或取出晶體時可用拉晶裝置來控制高度，由于晶體生長過程的溫度很高，所以架設(shè)籽晶時，須以耐高溫之鎢鉬合金線來固定籽晶。 加熱程序 當爐內(nèi)真空度抽到實驗所需的壓力范圍時 (6 103Pa)，就開始加熱，以 2Volt/小時的速率自動加熱。 氧化鋁原料熔化后形成熔體情形 下籽晶 當原料完全溶化形成熔體時，必須讓熔體持溫一小時，確保熔體內(nèi)部溫度分布均勻且溫度適中，才可下籽晶，若在熔體表面有凝固浮島存在，則需再調(diào)整電壓使凝固浮島在一段時間內(nèi)消失。若晶體生長速度太慢，或是籽晶有熔化現(xiàn)象，表示溫度過高，必須調(diào)降溫度。 使用的方式是瞬間加熱，使黏住坩堝部份的晶體熔化，從重量傳感器顯示的數(shù)據(jù)可以得知晶體與坩堝是否分離，當晶體與坩堝分離后，必須繼續(xù)降溫，否則會使晶體重新熔化回去。 1晶體檢測程序 首先以強光照射整個晶體，觀察晶體內(nèi)部之巨觀缺陷。根據(jù)藍寶石單晶生長的不同階段特點，結(jié)合晶體的熱物性能與溫度的關(guān)系，對溫場進行優(yōu)化，選擇 ——30℃/h 的降溫速率進行藍寶石單晶的生長 SAPMAC法生長裝置示意圖 與傳統(tǒng)泡生法相比，其特點為： （ 1）通過在“冷心位置”（與坩堝幾何中心相對偏差不大于Φ=）處放肩，使得在整個結(jié)晶過程中，藍寶石單晶的晶向遺傳特性良好，即可保證高質(zhì)量藍寶石單晶的生長； （ 2）通過高精度的能量控制配合微量提拉，使得在整個結(jié)晶過程中無明顯的溫場擾動，產(chǎn)生缺陷的幾率明顯降低； （ 3）在整個晶體生長過程中，晶體式中處于坩堝內(nèi)，即一直處于熱區(qū)，可精確控制其冷卻速率，減少熱應(yīng)力； （ 4）材料綜合利用率是傳統(tǒng)泡生法的 ； （ 5）在引晶和放肩階段引入提拉基質(zhì)，并通過合理的溫場設(shè)計與工藝控制，保證在熔體冷卻處引晶，克服了傳統(tǒng)泡生法只能生長大直徑、但高度較小的不足； （ 6）在降溫過程中，晶體可以實現(xiàn)原位退火，即可降低氧缺位，并可簡化程序、節(jié)省能源。在潤濕角 θ 滿足 0θ90 176。由此可見其優(yōu)越性。此時，熔體再模具頂部的截面上擴展導(dǎo)邊緣時中止。當帶毛細管或狹縫的模具浸入熔體后，能潤濕模具材料毛細管的熔體就會沿著毛細管上升。 100) 10－ 5N/cm，有時此數(shù)值還要高一些。 導(dǎo)膜法生長晶體示意圖 導(dǎo)膜法生長裝置 導(dǎo)膜法生長裝置示意圖 導(dǎo)膜法的晶體生長裝置與提拉法的基本相同，所不同的是導(dǎo)膜法是將一個金屬鉬制的毛細管模具垂直地安裝在坩堝底部，籽晶將通過毛細管口與熔體相接觸，然后按模具頂端截面形狀被提拉出各種形狀的晶體。石墨受熱器外用石墨氈保溫。籽晶和籽晶桿用籽晶定位裝置定位，通過波紋管進行上升和下降操作。 導(dǎo)模法生長晶體步驟： 將原料用濃鹽酸浸泡 24小時以上，浸泡后放在清水池中沖洗至中性，再放入石英坩堝內(nèi)烘干。 （高溫引晶） 打開中頻電源開始升溫。 “ 烤晶 ” 一段時間后開始引晶，通過手輪，使用籽晶頭接觸到熔體表面，如溫度太低引晶時籽晶頭的變化很小或根本沒有變化，此時一定要觀察好，如溫度太低應(yīng)提起籽晶先升溫再重復(fù)引晶（切不可低溫引晶，因為引晶時溫度低，生長出的整根晶體一定會炸裂，同時容易損壞模具）?？s頸的作用：減少籽晶中的遺傳缺陷。擴肩其實是一個緩慢地降溫過程，低速擴肩有利于消除位錯和晶粒間界，晶片的寬度和模具口一樣寬即可認為是擴肩已擴滿，擴肩角度一般以 120度左右為佳。在溫場穩(wěn)定的情況下，等徑生長時的溫度和拉速可以不變，但在實際生產(chǎn)中，由于各方面的原因，經(jīng)常出現(xiàn)低溫和高溫的現(xiàn)象。這時要降低溫度，減小拉速。 等晶體完全脫離模具口時開始降溫。 俄羅斯 EZAN RAS晶體生長實驗室 a）管狀和棒狀藍寶石 c)錐形藍寶石晶體和模具 b）圓頂藍寶石 c)錐形藍寶石晶體和模具 美國 Locher等采用導(dǎo)模法批量生長出 225mm 660mm， 305mm 510mm高質(zhì)量的板狀藍寶石單晶，且在不鍍膜的情況下，經(jīng)研磨、拋光后厚度為 面板，對于 70