熔融法蓝宝石晶体退火特性研究

人造蓝宝石熔融包裹体研究谢奕汉范宏瑞胡芳芳（中国科学院地质与地球物理研究所１０００２９）本文拟通过矿物包裹体探讨人造蓝宝４ｉ中存在的两个问题：１．监宝石形成温度，２．监宝年ｉ合成工艺流程的改进。

目前人造蓝宝石常用方法有三种：焰熔法、熔融法雨１熔剂法。

本文涉及的为熔剂法，熔剂法合成蓝宝年ｉ流程如Ｆ：将蓝宝石合成原料～２０３粉末和助熔剂ＰｂＲ和ＰｂＯ粉末均匀混合，放入特制的坩埚，在常压、高温和氧化条件Ｆ，～２０，借助熔剂熔化，形成Ａ１２０３．ＰｂＦｊ—ＰｂＯ复合熔体，在１２００＂Ｃ达到平衡后，缓慢冷却，当Ａ１２０３浓度达到过饱和状态时，蓝宝石便从熔体中结晶析出，析出的蓝宝石为无色透明板状晶体，大小为Ｏ．５—１ｔｉｌｌ２。

蓝宝石中有的含有熔融包裹体，通过这些包裹体可以了解蓝宝石形成的精确温度；评价蓝宝石的质量和提出合成工艺流程改进的依据。

包裹体特征熔剂法人造监宝石中包裹体类型为晶质熔融包裹体；由一气泡和黄白两色晶质物组成；形态为六边形、潭圆形、管状、细长管状、少数不规则状；大小变化较大卜３ｓＯｕｍ，一般为２０ｘ４０ｕｍ，沿蓝宝石解理延伸方向平行分布，属于原生包裹体。

包裹体内的气泡为圆形，占体积比为１０一１５％，经激光拉曼探针测试，气泡内不含任何气体，为真空状态。

包裹体均一温度包裹体均一温度在Ｌｉｎｋａｍ１５００型热台上测定，升温速率分四个阶段：室温一６００。

Ｃ为１０℃／ｒａｉｎ、６０伊一１０００℃为５℃／ｒａｉｎ、１０００＿一１１５０℃为３℃／ｒａｉｎ、１１５０－－１２１０℃为２℃／ｍｉｎ。

均一化过程中包裹体经历如下变化，４００－－６００‘Ｃ包裹体内黄色物ＰｂＯ由浅黄色变为深棕色，完全熔解后变成无色，７５０－－－９５０。

Ｃ包裹体内白色物ＰｂＦ２熔解；９５０－＇－１２００℃包裹体气泡随温度升高开始逐渐变小，１２０３－－１２０５＇Ｕ消失，而且众多个大小不同的包裹体气泡几乎同一温度Ｆ消失，此时包裹体均一。

结语１．蓝宝石形成温度的确定：根据岩浆包裹体测温原理，熔剂法蓝宝石形成温度，可以从其熔融包裹体的均一温度中确定为１２０３—１２０５℃。

蓝宝石材料的制备和性能研究蓝宝石是一种非常具有价值和观赏性的宝石，其高端的价值使得其在珠宝、光学和电子等领域得到广泛的应用。

然而，对于蓝宝石材料的制备和其性能的研究仍然是一个热门的研究领域。

这篇文章将从蓝宝石材料的制备方法、研究现状和未来发展方向进行探讨。

一、蓝宝石材料的制备方法蓝宝石是一种氧化铝，其晶体结构为六方最密堆积。

制备蓝宝石具有多种不同的方法，例如：1. 单晶生长法单晶生长法是一种比较常用的制备蓝宝石的方法，具体原理是在高温高压的环境下，通过控制显微镜下小晶核的生长，从而得到高质量的蓝宝石晶体。

这种方法需要掌握严格的温度和压力条件，同时还需要对种子晶体的选择进行严格控制。

2. 溶胶-凝胶法溶胶-凝胶法是一种相对简单的制备方法，它通过将氧化铝溶解在水中，加入草酸等化学试剂，产生凝胶状物质，再通过干燥和煅烧，最终得到高质量的蓝宝石材料。

这种方法的优点在于成本低廉，操作简单，但是制备出的材料质量有一定的限制。

3. 水热合成法水热合成法是一种新型的合成方法，它通过在高温高压的水溶液中反应氧化铝和碱金属碱土金属等化学试剂，制备蓝宝石材料。

这种方法具有高效、环保等优点，但是对反应条件的控制比较困难。

二、蓝宝石材料的性能研究现状蓝宝石材料的性能研究主要包括其物理性质和光学性质等方面，下面将分别进行介绍。

1. 物理性质在物理性质方面，蓝宝石材料具有较高的硬度、抗腐蚀性和耐高温性等特点，这些特性决定了蓝宝石在各种领域的应用价值。

此外，蓝宝石材料还具有较好的导热性和导电性能，在电子、光电、导热等领域也具有广泛的应用前景。

2. 光学性质在光学性质方面，蓝宝石材料具有非常优异的特性，例如高透明度、高折射率、高反射度、高旋光性等等。

这些性质使得蓝宝石在光学器件、激光技术、LED等领域有着不可替代的地位。

三、蓝宝石材料未来的发展方向随着材料科学和技术的不断发展，蓝宝石材料在未来的发展方向也发生了一系列的改变。

1. 晶体品质的提高在蓝宝石单晶生长领域，人们一直在追求晶体品质的提高，例如单晶中晶陷、丝状晶等缺陷的减少，这样才能获得更高质量的蓝宝石晶体，从而满足高端市场的需求。

退火实验的原理退火实验是一种常见的金属材料研究方法，其原理基于固体材料的晶体结构特性和热力学原理。

以下是关于退火实验的详细原理解释。

一、晶体结构与晶界晶体是一种有序排列的原子、离子或者分子的三维结晶体系，它具有规则的重复结构。

晶体的晶格结构是由原子的排列方式所决定的，而晶界则是晶体内的两个结晶体差异比较大的区域。

晶界是晶体内部的缺陷，它会影响晶体的物理性能和力学性能。

晶界中存在着晶粒内部的无序点阵、错位、尺寸变化等缺陷。

晶界的形成是材料冷却过程中的非常重要的一部分。

二、退火过程退火是指将金属材料加热到一定温度后再缓慢冷却的过程。

退火分为两个步骤：加热和冷却。

1. 加热在金属加热过程中，原子的热运动将逐渐加剧，原子的排列方式开始变得有序。

金属晶体的晶界开始消失，晶粒内部的缺陷开始被修复。

当温度达到一定阈值时，金属材料的原子会逐渐重新排列，晶界消失，晶粒内部的无序点阵被修复。

这个过程被称为晶粒长大，晶粒尺寸变大，晶界面积减少。

2. 冷却当金属材料冷却时，原子的热运动减弱，晶粒长大过程逐渐停止。

新的晶粒在冷却过程中会继续增长，而旧的晶粒尺寸不再改变。

这个阶段的冷却速率非常重要，过快的冷却速度可能导致形成新的晶界结构。

三、退火类型退火实验的工艺过程可以分为多种类型，其中包括：1. 全退火全退火是在加热过程中使晶体中所有的晶界消失的退火方法。

2. 部分退火部分退火是只针对材料中的一部分区域进行退火，以使特定区域内的晶体重新排列。

3. 稳态退火稳态退火是使晶体内的晶界消失，并使晶体达到稳定状态的退火方法。

4. 淬火退火淬火退火是先将材料快速冷却以形成奥氏体，然后再进行退火的方法。

这种方法可以改善材料的硬度和强度。

四、退火过程对材料性能的影响退火过程可以对材料的结构和性能产生显著影响。

以下是退火对材料性能的主要影响：1. 晶粒尺寸通过退火可以改变晶粒内部的结构，使晶粒尺寸变大，从而改变材料的力学性能和导电性能。

蓝宝石材料在光电子领域的应用研究摘要：蓝宝石是一种重要的半导体材料，在光电子领域拥有广泛的应用。

本文将介绍蓝宝石材料的基本特性和制备方法，重点探讨其在光电子领域中的应用研究，包括光学器件、光通信和激光技术等方面的应用。

通过对蓝宝石材料在光电子领域的深入研究，可以进一步拓展其应用范围，提高光电子器件的性能和稳定性。

1. 引言蓝宝石是由氧化铝晶体结构组成的透明宝石，其具有高硬度、良好的光学性能和热导性能。

由于其结构的稳定性和优异的机械性能，蓝宝石材料在光电子领域得到了广泛的应用。

本文将介绍蓝宝石材料的基本特性和制备方法，并着重讨论其在光学器件、光通信和激光技术等方面的应用研究。

2. 蓝宝石材料的基本特性蓝宝石材料的化学式为Al2O3，具有类似钻石的结构，晶格常数约为4.759 Å。

蓝宝石的硬度为9，仅次于钻石，因此具有极高的耐磨性。

此外，蓝宝石具有良好的热传导性能和高抗化学腐蚀性能，能够在极端的环境下保持稳定。

3. 蓝宝石材料的制备方法蓝宝石材料的制备方法主要有两种：熔融法和水热法。

熔融法是通过将氧化铝和铝金属混合加热到高温，使其融化后再缓慢冷却形成蓝宝石晶体。

水热法则是将氧化铝和铝金属或铝盐加入水中，通过高温高压条件下的化学反应生成蓝宝石晶体。

这两种方法各有优劣，选择合适的制备方法可以得到高质量的蓝宝石材料。

4. 蓝宝石材料在光学器件中的应用蓝宝石具有优异的光学性能，可以在广泛波长范围内实现高透过率和低折射率。

因此，它被广泛应用于激光器、LED、光纤传感器等光学器件中。

例如，蓝宝石激光器具有窄线宽、高功率、长寿命等优点，被广泛应用于医疗、军事和科学研究领域。

此外，蓝宝石材料还可以制备光栅和光波导器件，用于光通信和光学传感器等领域。

5. 蓝宝石材料在光通信中的应用光通信是一种高速、高容量的通信技术，对光学器件的要求非常高。

蓝宝石材料的优异光学性能使其在光通信中得到了广泛应用。

例如，蓝宝石透镜具有良好的光学透过率和热传导性能，可以用于光纤通信系统中的调制器和解调器。

试验研究清洗世界Cleaning World第35卷第4期2019年4月作者简介：陈铭欣（1979-），男，硕士学历，福建晶安光电公司总经理，研究方向：LED 氮化镓外延技术、蓝宝石衬底制造技术。

通讯作者：周志豪（1981-），男，硕士，晶安光电副总工程师。

收稿日期：2019-03-29。

文章编号：1671-8909（2019）3-00031-002蓝宝石衬底退火后表面缺陷的研究陈铭欣，周志豪，谢斌晖，陈启福（福建晶安光电有限公司，福建 泉州 362411）摘要：蓝宝石衬底晶片加工过程中，研磨作业后需要进行退火处理，以去除加工过程中所残余的应力，并消除残余应力所引起的衬底形变。

退火前需对衬底进行清洗，将清洗干净后的衬底放入退火炉中进行高温退火。

退火后，衬底晶片表面时常会出现一些色差的缺陷区域，此缺陷由于目视可见，不符合出货要求，因此需要重新进行研磨加工或直接损失报废等处理，降低了生产效率。

因此本文目的为探究蓝宝石衬底退火后表面出现缺陷的分析，了解成因后即采取措施避免缺陷的发生。

关键词：蓝宝石衬底；退火；缺陷中图分类号：O786 文献标识码：A0 引言蓝宝石作为半导体GaN-Al 2O 3发光二极管（LED ）最为理想的衬底材料，被广泛应用于半导体LED 照明，因此促使蓝宝石衬底材料的需求量大增。

此外，蓝宝石凭借其一流的强度、耐磨耐摔和抗划伤性等特性，也应用于高端的手机领域，如手机的触控键、屏幕以及后盖镜头片等，这都促进蓝宝石用量的大幅提高。

蓝宝石衬底的加工先需要将蓝宝石单晶体用金刚石线切割成厚度约为800 μm 的线切片，再通过研磨和抛光工序将衬底加工成约650 μm 的薄片。

而研磨工序是蓝宝石最关键的环节，因该环节关系到蓝宝石的光洁度、平坦度、粗糙度等。

蓝宝石的研磨过程主要是以碳化硼为磨料，并加入水和分散剂形成浆料后，通过碳化硼磨料颗粒的机械磨削作用而达到研磨效果。

分散剂主要采用一种在分子内同时具有亲油性与亲水性两种相反性质的表面活性剂，可均匀分散那些难以溶解于液体的无机固体颗粒，同时也能防止固体颗粒凝聚沉降，达到悬浮磨料的效果；倘若磨料分布均匀，可以提高研磨速率和加工质量，但如果磨料分散不均匀则会容易造成晶片崩角（Chipping ）或是破裂，也容易造成刮伤（Scratch ）。

古思勇等：La2O3–MoSi2与SiC摩擦副的高温摩擦磨损行为及滑动速度的影响・ 905 ・第40卷第6期导模法生长蓝宝石晶体的退火工艺于海欧1,2，李红军2，徐军2，杨秋红1，胡克艳1,2，陈伟超2(1. 上海大学材料科学与工程学院，上海 200050；2. 中国科学院上海硅酸盐研究所，上海 200050)摘要：采用导模法生长了片状蓝宝石单晶。

由于石墨发热体的高温挥发，使晶体尾部产生黑色絮状包裹体，晶体内部生成色心。

为了消除片状蓝宝石晶体内的包裹体和色心，在不同气氛下对生长的晶体样品进行了退火处理。

退火实验表明，含有包裹体的尾部样品在1500℃空气中退火20h并以50/h℃的速率降温，可消除晶体内的碳包裹体，晶体变为无色、透明。

在氢气中1600℃退火37h后，F色心引起的205nm的吸收峰和Fe3+所引起的200～230nm的吸收峰均被消除。

表明高温氢气中退火是消除导模法生长蓝宝石晶体内部F色心和Fe3+吸收的最佳退火方法。

关键词：蓝宝石单晶；导模法；包裹体；色心；退火中图分类号：O782 文献标志码：A 文章编号：0454–5648(2012)06–0905–05网络出版时间：2012–05–23 14:37:07 网络出版地址：/kcms/detail/11.2310.TQ.20120523.1437.023.htmlAnnealing Process of Sapphire Crystal Grown by Edge Defined Film Fed Growth MethodYU Haiou1,2，LI Hongjun2，XU Jun2，YANG Qiuhong1，HU Keyan1,2，CHEN Weichao2(1. School of Material Science and Engineering, Shanghai University, Shanghai 200050, China; 2. Shanghai Institute ofCeramics, Chinese Academe of Sciences, Shanghai 200050, China)Abstract: Sapphire single crystal ribbon was grown via an edge defined film fed growth (EFG) method. The carbon volatilization in a graphite heater at high temperatures results in some black inclusions in tail crystal and color center in the crystal. In order to eliminate black inclusions and color center in the crystal, the sapphire crystal grown was annealed by different annealing processes. The black inclusions in tail crystal disappear and the crystal became colorless and transparent after annealing in air at a cooling velocity of 50 /h℃and 1500 for 20℃h. For the crystal sample after annealing in H2 at 1600 for 37℃h,the absorption peak at 205nm caused by F color center and the absorption shoulder at 200–230nm caused by Fe3+ is disappeared. The results indicate that high temperature hydrogen annealing is a promising annealing method to eliminate the F color center and the absorption shoulder at 200–230nm caused by the Fe3+ in the sapphire crystal grown by EFG method.Key words: sapphire single crystal; edge defined film fed growth; inclusion; color center; annealing导模法又称边缘限定–薄膜供料法[1]，是提拉法的一种变形，能够生长特定形状的晶体。

蓝宝石晶体材料蓝宝石晶体是一种重要的无机材料，具有广泛的应用领域。

它的化学成分是铝氧化物（Al2O3），是一种重要的功能材料，具有优异的物理和化学性能。

蓝宝石晶体在光电子领域、激光领域、光学领域、电子领域等方面有着重要的应用价值。

本文将对蓝宝石晶体材料的性质、制备方法、应用领域等方面进行介绍。

首先，蓝宝石晶体具有优异的光学性能。

它具有高透射率、高折射率和优异的光学均匀性，因此在光学领域有着广泛的应用。

蓝宝石晶体可以用于制备光学窗口、透镜、棱镜等光学元件，广泛应用于激光器、光通信、光学仪器等领域。

其次，蓝宝石晶体还具有优异的机械性能。

它的硬度仅次于金刚石，具有优异的耐磨性和耐腐蚀性，因此在工业领域有着重要的应用。

蓝宝石晶体可以用于制备各种耐磨、耐腐蚀的零部件，如轴承、刀具、观察窗等，广泛应用于航空航天、机械制造、化工等领域。

此外，蓝宝石晶体还具有优异的电气性能。

它具有高绝缘性和低介电损耗，因此在电子领域有着广泛的应用。

蓝宝石晶体可以用于制备各种电子元件、绝缘材料等，广泛应用于电子器件、电力系统、通信设备等领域。

关于蓝宝石晶体的制备方法，主要有熔融法、水热法、气相沉积法等。

其中，熔融法是最常用的制备方法之一。

通过将铝氧化物与适量的添加剂（如Cr2O3）共熔，然后逐渐冷却结晶，即可得到蓝宝石晶体。

此外，水热法和气相沉积法也是常用的制备方法，它们可以得到高纯度、大尺寸的蓝宝石晶体。

总的来说，蓝宝石晶体作为一种重要的功能材料，具有优异的光学、机械、电气性能，在光电子、激光、光学、电子等领域有着广泛的应用前景。

随着科学技术的不断发展，相信蓝宝石晶体材料将会有更广阔的发展空间，为人类社会的发展做出更大的贡献。

一、蓝宝石生长蓝宝石生长方式1.1.1 焰熔法Verneuil (flame fusion)最先是1885年由弗雷米（E. Fremy）、弗尔（E. Feil）和乌泽（Wyse）一路，利用氢氧火焰熔化天然的红宝石粉末与重铬酸钾而制成了那时轰动一时的“ 日内瓦红宝石”。

后来于1902年弗雷米的助手法国的化学家维尔纳叶（Verneuil）改良并进展这一技术使之能进行商业化生产。

因此，这种方式又被称为维尔纳叶法。

1）基本原理焰熔法是从熔体中生长单晶体的方法。

其原料的粉末在通过高温的氢氧火焰后熔化，熔滴在下落过程中冷却并在种晶上固结逐渐生长形成晶体。

2）合成装置与条件、过程焰熔法的粗略的说是利用氢及氧气在燃烧进程中产生高温，使一种疏松的原料粉末通过氢氧焰撒下焰融，并落在一个冷却的结晶杆上结成单晶。

以下图是焰熔生长原料及设备简图。

这个方式能够简述如下。

图中锤打机构的小锤7按必然频率敲打料筒，产生振动，使料筒中疏松的粉料不断通过筛网6，同时，由进气口送进的氧气，也帮忙往下送粉料。

氢经入口流进，在喷口和氧气一路混合燃烧。

粉料在通太高温火焰被熔融而落在一个温度较低的结晶杆2上结成晶体了。

炉体4设有观看窗。

可由望远镜8观看结晶状况。

为维持晶体的结晶层在炉内前后维持同一水平，在生长较长晶体的结晶进程中，同时设置下降机构1，把结晶杆2缓缓下移。

焰熔法合成装置由供料系统、燃烧系统和生长系统组成，合成进程是在维尔纳叶炉中进行的。

A.供料系统原料：成分因合成品的不同而变化。

原料的粉末经过充分拌匀，放入料筒。

如果合成红宝石，则需要Al2O3粉末和少量的 Cr2O3参杂，Cr2O3用作致色剂，添加量为 1-3%。

三氧化二铝可由铝铵矾加热取得。

料筒：圆筒，用来装原料，底部有筛孔。

料筒中部贯通有一根震动装置使粉末少量、等量、周期性地从筛孔漏出。

震荡器：驱动震动棒震动，使料筒不断抖动，以便原料的粉末能从筛孔漏出。

B.燃烧系统氧气管：从料筒一侧释放，与原料粉末一同下降；氢气管：在火焰上方喷嘴处与氧气混合燃烧。

退火工艺对晶体结构及性能的影响研究晶体是一种固体的物质状态，其具有高度有序性和规则性。

晶体结构及其性质的研究一直是材料科学研究的一个重要方面。

晶体的结构特征和性质与制备工艺密不可分，因此研究晶体结构及性能与工艺的关系具有重要意义。

其中一个重要的加工工艺是退火，可以对晶体结构和性能产生不同的影响。

一、退火工艺退火工艺是一种材料制备和改良的重要工艺，通常是在特定的条件下对材料进行高温处理，然后缓慢冷却。

退火过程可以通过温度、时间、压力等条件调节和控制。

在退火过程中，晶体结构会发生一些变化，这种变化往往会影响晶体的宏观性质，如力学性能、热稳定性、光学性质等。

二、晶体结构的变化晶体结构的变化主要表现在晶体晶粒的层取向、晶格畸变、晶格参数、缺陷分布和组织细化等方面。

在晶体退火过程中，高温荷载作用下的变形应力和相互作用力作用，改变了原子的位置和排列方式，从而使晶体的结构发生了变化。

（1）晶体晶粒的层取向晶体晶粒的层取向对晶体的形貌和力学性能有很大影响。

晶体在退火过程中，晶粒的层取向可以受到位错、晶界、缺陷的影响。

在晶界和缺陷的作用下，晶体的晶粒可以重新排列，从而形成更为有序的结构。

晶界和缺陷的存在也会降低晶体的热稳定性和力学性能。

（2）晶格畸变晶体在退火过程中，晶粒的体积会发生变化，从而导致晶格的畸变。

晶格畸变会影响晶体的物理性质，如电学和磁学性能等。

（3）晶格参数晶格参数是指晶体中晶胞的尺寸和形状。

在退火过程中，晶格参数可能会发生变化，可能更趋于理想状态，也可能更加接近实际状态。

晶格参数的变化可以影响晶体的物理性质，如导电性、导热性等。

（4）缺陷分布晶体在退火过程中，可能会出现一些缺陷，如空穴、空位、氧化物等。

这种缺陷是一种内在性质，对晶体性质的影响也很大。

在晶界和缺陷的作用下，晶体内部的应力和摩擦作用会导致缺陷的增多和扩散。

三、晶体性能的变化晶体在退火过程中，其性能也会发生变化。

不同的退火条件会导致晶体结构和性能的变化程度不同。