泡生法生长高质量蓝宝石的原理和应用

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蓝宝石材料的制备和性能研究

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。

泡生法与提拉法最大的区别

泡生法与提拉法最大的区别作者：Mark浏览次数：90日期：2011年6月27日17:20摘要：相信很多新手都会疑问：泡生法和提拉法的最大区别在哪里，因为无论从长晶过程以及长晶设备来看，两者的区别都不是很大，这里我为大家稍微讲述两者的区别。

提拉法在一定温度场、提拉速度和旋转速度下，熔体通过籽晶生长，形成一定尺寸的单晶。

其优点有：通过精密控制温度梯度、提拉速度、旋转速度等，可以获得优质大单晶；.可以通过工艺措施降低晶体缺陷，提高晶体完整性；.通过籽晶制备不同晶体取向的单晶；.容易控制。

提拉法的缺点是：.由于使用坩埚，因此，容易污染；.对于蒸气压高的组分，由于挥发，不容易控制成分；.不适用于对于固态下有相变的晶体。

提拉法晶体生长装置示意图上图介绍了提拉法的过程示意图，也许可以帮助您了解提拉法的机理与过程。

泡生法泡生法（Kyropoulos method）的原理与提拉法类似。

首先原料熔融，再将一根受冷的籽晶与熔体接触，如果界面的温度低于凝固点，则籽晶开始生长。

为了使晶体不断长大，就需要逐渐降低熔体的温度，同时旋转晶体，以改善熔体的温度分布。

也可以缓慢地(或分阶段地)上提晶体，以扩大散热面。

晶体在生长过程中或生长结束时不与坩埚壁接触，这就大大减少了晶体的应力，不过，当晶体与剩余的熔体脱离时，通常会产生较大的热冲击。

泡生法与提拉法的最大区别在于，泡生法是利用温度控制生长晶体，生长时只拉出晶体头部，晶体部分依靠温度变化来生长，而拉出颈部的同时，调整加热电压以使得熔融的原料达到最合适的生长温度范围。

泡生法晶体生长装置示意图对于泡生法，最大的难点个人认为是气泡的问题，通常从顶部生长晶体很容易引入气泡造成晶体质量缺陷，其次钼系统的损耗和高温下的变形也是提高了生长成本和生长难度。

但相信从事这些方法的顶级厂商对于这些问题都有相应的解决方法，其实生长宝石的方法有很多，由于宝石的加工难度大，所以针对不同产品采取不同方法差距很大，直径小于50mm，质量要求不高的火焰法是绝对首选，而大尺寸平板，导模法最有优势，泡生法在体材料方面无人能敌，而热交换法在生长过程中稳定，易控制，重复性好，不宜产生气泡问题，但其成本和生长周期一直是高居不下.。

泡生法蓝宝石单晶炉内部结构对热场影响的数值模拟研究

II
目
录
目
摘目
录
要 ............................................................................................................................... I 录 ............................................................................................................................ III 论 ................................................................................................................ 1 1.1 课题研究背景 ..................................................................................................... 1 1.2 蓝宝石晶体生长技术的研究现状 ..................................................................... 1 1.3 泡生法蓝宝石晶体生长的数值模拟分析 ......................................................... 4 1.4 本文的主要研究内容 ......................................................................................... 6

泡生法蓝宝石不同生长阶段热应力的数值模拟研究_杨琳

近年来国内外学者针对蓝宝石单晶中的热应力进行了大量研究。姚泰等讨［３］论了不同放肩角对蓝宝石晶体中热应力的影响，研究表明通过改善晶体的外形可以改善热应力的分布；许承海等采［４，５］用数值模拟方法计算泡生法蓝宝石晶体中的热应力，发现应力场主要受晶体生长速度、长晶炉内温度分布、晶体生长方向等影响，且晶体中的热应力与径向热膨胀系数成正比。ＣｈｅｎＴｅｉ－Ｃｈｅｎ等发［６］现固液界面凸出度增加会造成晶体中最大热应力增大。ＣｈｅｎＣｈｕｎ－Ｈｕｎｇ等对［７］泡生法蓝宝石生长各阶段晶体中温度分布及熔体中自然对流进行了模拟，发现固液界面处的温度梯度随晶体生长高度的增加而减小。Ｌｅｅ等探［８］讨了不同坩埚形状对泡生法蓝宝石中熔体对流的影响，证实坩埚底部倒角半径对固液界面形状及熔体对流强度会产生显著影响。但是上述研究
为了求解上述热应力方程，需对整体蓝宝石炉进行数值
模拟，得到蓝宝石晶体中各点的温度分布。本实验采用晶体
生长专业模拟软件ＣＧＳｉｍ，而该软件用于泡生法蓝宝石单晶的生长模拟和实验验证已被大量文献报道。［１０—１２］蓝宝石炉
的数学模型采用二维柱坐标模型，模拟计算中考虑了晶体、
关键词泡生法蓝宝石单晶数值模拟固液界面热应力中图分类号：Ｏ７８２文献标识码：Ａ
ＳｔｕｄｙｏｎＮｕｍｅｒｉｃａｌＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆＴｈｅｒｍａｌＳｔｒｅｓｓａｔＤｉｆｆｅｒｅｎｔＳｔａｇｅｓｉｎＫｙｒｏｐｏｕｌｏｓＳａｐｐｈｉｒｅＣｒｙｓｔａｌＧｒｏｗｔｈ

蓝宝石晶体生长技术

蓝宝石晶体生长技术蓝宝石是一种非常珍贵的宝石，其具有高度的透明度和魅力的蓝色光泽。

然而，天然蓝宝石的价格昂贵且稀缺，因此科技界提出了人工合成蓝宝石的方法。

本文将介绍蓝宝石晶体的生长技术。

高温高压生长法是较为传统的一种方法。

它模拟了地球内部的高温高压环境，利用合适的矿物质和金属盐在高温高压条件下进行晶体生长。

在这个过程中，先将金属盐溶解在熔剂中，然后将蓝宝石种子放置在溶液中促进晶体生长。

这种方法由于需要高温高压环境，相对较难控制，但可以制备更大尺寸和更高质量的蓝宝石晶体。

化学气相沉积法是一种相对较新的技术，它采用气相材料进行晶体生长。

在这个过程中，将金属源和气相原料（如铝和气氙）连续供应到高温反应室中，使其在晶体基底上沉积，并逐渐形成完整的蓝宝石晶体层。

与HPHT法相比，化学气相沉积法更容易控制和扩展生产规模，适用于生产更薄的蓝宝石晶片。

无论采用哪种生长方法，蓝宝石晶体的质量都受到很多因素的影响。

其中，晶体的化学纯度、温度、压力、溶液成分和生长速度等因素都非常重要，直接影响着蓝宝石晶体的结构和质量。

为了获得高质量的蓝宝石晶体，科研人员还在不断研究改进这些生长技术。

例如，改变晶体生长的初始条件、优化晶体的生长环境、选择合适的基底材料等方法，都有助于提高蓝宝石晶体的质量和产率。

蓝宝石晶体的人工合成在很大程度上满足了市场对宝石的需求。

它不仅可以大量生产高质量的蓝宝石晶体，还可以根据市场和消费者需求来调整颜色、尺寸和形状。

此外，与天然蓝宝石相比，人工合成的蓝宝石更加经济实惠，也更环保可持续。

总的来说，蓝宝石晶体的生长技术是一项重要的宝石制造技术。

通过不断改进和创新，可以生产出高质量、低成本的蓝宝石晶体，满足市场需求，并为宝石行业带来巨大的发展潜力。

蓝宝石制作工作原理

蓝宝石是由铝和氧组成的宝石，其结晶形态为六方晶系。

蓝宝石制作的工作原理主要涉及以下几个步骤：
原材料选择：首先需要选取适合制作蓝宝石的原材料，常用的是铝矾土。

铝矾土是一种含铝和氧的矿石，经过处理后可以提取出铝氧化物。

净化处理：提取出的铝氧化物需要经过净化处理，以去除杂质。

这些杂质会对蓝宝石的质量和颜色产生影响。

结晶生长：净化后的铝氧化物通过熔炼和混合成蓝宝石的原料溶液。

这个溶液会被放置在特殊的容器中，通过控制温度慢慢冷却。

结晶形成：随着温度的下降，蓝宝石原料溶液中的铝氧化物会逐渐形成结晶。

该过程需要一段时间，可以得到具有六边形结晶形态的蓝宝石。

切割和抛光：经过结晶的蓝宝石需要进行切割和抛光处理，以获得所需的形状和光泽度。

这一步骤通常由专业技术人员进行。

需要注意的是，蓝宝石的制作需要高温高压条件，并且还需要控制好原料的成分和结晶过程的条件，才能获得高质量的蓝宝石。

这是一个复杂的工艺过程，需要专业的设备和技术来完成。

泡生法蓝宝石位错产生原因

泡生法蓝宝石位错产生原因
2011-08-07 19:41
泡生法生长的蓝宝石晶体位错密度在7. 6 × 101 ～8. 0 × 102 cm － 2 范围内，在晶体顶部(放肩位置)密度较大，在等径部位密度相对较小. 泡生法生长的蓝宝石晶体中的位错形成原因为:
1) 从籽晶继承下来的位错:在籽晶中存在的位错，可以延伸到生长的晶体中，即为位错的继承作用. 籽晶中的位错包括籽晶本身的位错，在籽晶加工时由于应力作用而产生的位错和在引晶过程中受到热冲击而产生的位错.
2) 热弹性应力场中的位错成核与增殖:SAPMAC 大尺寸蓝宝石晶体生长技术主要是通过控制系统内热量输运来控制整个晶体的生长过程，为了保证晶体能够稳定地生长，热场设计必须要具有适当的轴向和径向温度梯度，即保证适当的相变过冷度和热量输运条件. 温度梯度的存在必然会使晶体内部产生热应力，如果热应力值超过晶体材料的临界应力，位错将成核、增殖和延伸.
3) 渗透力作用下的位错成核与增殖:在高温下蓝宝石晶体的空位浓度很高，随着温度的下降，点缺陷的平衡浓度按指数律迅速下降. 如果晶体中没有足够的点缺陷尾闾，或是降温速率太快，就在晶体内形成过饱和点空位. 过饱和的点空位有聚集成片以降低系统吉布斯自由能的趋势. 当晶体中的空位片足够大时，两边晶体塌陷下来，在周围形成位错环.
4) 在SAPMAC法生长大尺寸蓝宝石晶体过程中，固液界面浸没于熔体之中，各晶面受到的约束比较松弛，外界的轻微热波动或机械波动都会引起结晶过程中原子的错误排列，造成晶格畸变，形成位错源.。

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第9卷第4期2007年 12月宝石和宝石学杂志Jour nal of G ems and G emmolog y Vo l 9 N o 4Dec 2007泡生法生长高质量蓝宝石的原理和应用孙广年1,于旭东1,沈才卿2(1.浙江省巨化集团公司晶体材料厂,浙江衢州324004;2.核工业北京地质研究院,北京100029)收稿日期:2007 10 10作者简介:孙广年(1959-),男,经济师,企业管理专业,主要从事Al 2O 3晶体、YAG 晶体生长的开发和生产管理工作。

摘要:简要叙述了世界上主要用于生长高质量蓝宝石晶体的生长技术如晶体提拉法、导模法和热交换法。

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于衬底材料和发光二极管(L ED)中的广泛前景。

关键词:泡生法;蓝宝石;晶体生长;原理;应用中图分类号:T S93 文献标识码:A 文章编号:1008 214X(2007)04 0011 04Principle and Application of Kyropoulos Methodfor Growth of High Quality SapphireSU N Guang nian 1,YU Xu do ng 1,SH EN Cai qing2(1.Cry stal M ater ials Factory ,J H Gr oup Co.,Quz hou 324004,China;2.Beij ing Research I nstitute of Geosciences ,N uclear I nd ustr y ,Beij ing 100029,China)Abstract:T he main g row th techniques of hig h quality crystal all ar ound the w orld are briefly introduced,such as cr ystal pulling m ethod (the Czochr alski m ethod),edg e defined film fed grow th method and heat ex chang er m ethod.The grow th principle,technics and points of Ky r opo ulo s m ethod for pro ducing the high quality colourless sapphire crystal are introduced in detail.Further more,the w ide and potential fo reg round o f the high quality colourless sap phire applied in the field of substrates and LED is discussed.Key words:Kyr opo ulo s m ethod;sapphire;cry stal g row th;principle;applicatio n 材料科学是现代文明的三大支柱(能源、信息、材料)之一,是人类文明的物质基础。

晶体生长属于材料科学领域,是其发展的前沿,一些高新科学技术的发展,无一不和晶体材料密切相关。

蓝宝石晶体具有独特、优良的物理化学性质,特别是在0.2~5.0 m 波段内具有良好的透光性,可广泛应用于红外军事装备、卫星和空间技术等领域;还具有电介质绝缘、恒定的介电常数等,成为应用最广泛的衬底材料之一[1~3]。

为此,世界各国都在想方设法地进行研究和生产。

浙江省巨化集团公司晶体材料厂经过多年的努力,运用泡生法和提拉法相融合的技术生产出了高质量、直径可达220mm 以上、重28kg 以上的无色蓝宝石晶体,可用于军事工业的窗口材料、衬底材料和发光二极管(LED)节能环保行业上,还可用于珠宝首饰行业中,具有无限的潜力和发展前景。

1 蓝宝石晶体的生长技术蓝宝石晶体的合成方法[4]主要有焰熔法、助熔剂法和熔体法,其中熔体法又可分为几种。

焰熔法生长的宝石晶体尺寸较小,具有大量的镶嵌结构,质量欠佳;助熔剂法生长的宝石晶体也很小,且含有助熔剂阳离子,质量也不太好;而熔体法生长的宝石晶体具有较高的纯度和完整性,尺寸较大。

其基本原理是将晶体原料放入耐高温坩埚中加热熔化,然后在受控条件下通过降温使熔体过冷却,从而生长晶体。

由于降温的受控条件不同,因此,从熔体中生长宝石晶体的方法也稍有不同。

目前,世界上主要的熔体法生长技术有4种[5~8]:晶体提拉法、导模法、热交换法和泡生法。

1.1 晶体提拉法晶体提拉法(cr ystal pulling metho d)由J.Czochralski 于1918年发明,故又称丘克拉斯基法 ,简称Cz 提拉法,是利用籽晶从熔体中提拉生长出晶体的方法,能在短期内生长出高质量的单晶。

这是从熔体中生长晶体最常用的方法之一。

其优点是:(1)在生长的过程中,可方便地观察晶体生长的状况;(2)晶体在熔体表面处生长,不与坩埚接触,能显著地减小晶体的应力,防止坩埚壁的寄生成核;(3)可以方便地运用定向籽晶和缩颈工艺,使缩颈后籽晶的位错大大减少,降低扩肩后生长晶体的位错密度,从而提高晶体的完整性(图1)。

其主要缺点是晶体较小,直径最多达约51~76m m。

图1 提拉法生长的蓝宝石晶体F ig 1 Sapphire cr ystal pr oduced by cr ystal pulling method (fr om JH G ro up Co.)1.2 导模法导模法(edg e defined film fed g row th,EFG)是改进型且可控制晶体形状的晶体提拉法。

其工艺特点是:在提拉的过程中生长出模具顶端形状的晶体,可按要求生长出多种形状。

如Saint Gobain 公司采用该技术生长出直径达450~500mm 的光学晶片,日本京瓷公司改良该技术后生长出LED 衬底使用的C 面晶片并获得专利。

但该方法的设备和工艺技术难度较大,不易推广。

1.3 热交换法热交换法(heat ex chang er m ethod,H EM )的实质是控制温度,让熔体直接在坩埚内凝固结晶,其主要技术特点是以H e 为冷却源,依靠H e 的循环带走热量而使晶体生长。

主要优点是:晶体生长时,坩埚、晶体、加热区都不动,消除了由于机械运动而造成的晶体缺陷;同时,可以控制冷却速率,减少晶体的热应力及由此产生的晶体开裂和位错等缺陷,是生长优质大晶体的好方法。

但设备条件要求高,整个工艺复杂,运行成本高,因此未被广泛应用。

该工艺为Cry stalSystem 公司的专利技术,目前已经生长出直径达350m m 的蓝宝石晶体(图2)。

图2 热交换法生长的蓝宝石晶体[7]Fig 2 Sapphir e cr ystal pr oduced by HEM (fro m Cr ystalSystem Co.)2 泡生法的原理与工艺2.1 原理泡生法(Kyro poulos 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,目前是解决晶体提拉法不能生产大晶体的好方法之一。

其晶体生长的原理(图3a)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。

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100m m 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12宝石和宝石学杂志 2007年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,大大减少了其应力,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1和图3b)。

图3 泡生法生长晶体示意图(a)及其产品(b)F ig 3 Sketch map(a)and sapphire product(b)by K y ro poulos method (fro m JHG roup Co.)2.2 工艺采用泡生法生长大直径、高质量、无色蓝宝石晶体的具体工艺如下:1.将纯净的 Al 2O 3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.将坩埚加热到2050 以上,降低提拉杆,使籽晶插入熔体中;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;4.在实现籽晶与熔体充分沾润后,使液面温度处于熔点,缓慢向上提拉和转动籽晶杆;控制拉速和转速,籽晶逐渐长大;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 技术要点蓝宝石属三方晶系,其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。

3.1 建立合理的温度梯度热系统是温度梯度的决定因素,是生长优质晶体的首要条件。

当晶体恒温生长时,根据界面稳定条件:TZ l(1)而K lT Zl+ f L =K S T ZS(2)所以有fK S L TZ S(3)因此,保持界面稳定的最大生长速率为:f max =K S L T ZS式中,T Zl和T ZS分别为界面附近熔体和晶体中的温度梯度;K l 和K s 分别为熔体和晶体的热导率;L 为结晶潜热; 为晶体密度。

从式(3)中可以看出,晶体的最大生长速率取决于晶体中温度梯度的大小,要提高晶体的生长速率,必须加大温度梯度。

但温度梯度过大,又会增加晶体的热应力,增大位错密度,甚至导致晶体开裂。

因此,根据无色蓝宝石单晶的热导率等性质,建立合理的温度梯度是生长完整单晶的前提。

3.2 选择晶体的生长方向无色蓝宝石晶体的两个主要的滑移系:(0001)面沿(112-0)方向的底面滑移系和(112-0)面沿(11-00)方向的柱面滑移系。