藍(lán)寶石（Al₂O₃）具有高硬度、高強度、耐腐蝕、高光透過率等特點，是人類最早利用的幾種天然礦物寶石之一。自1890年法國科學(xué)家維納爾第一次制備了藍(lán)寶石晶體以來，人造藍(lán)寶石晶體制備技術(shù)得到了長足發(fā)展，晶體質(zhì)量不斷提高，應(yīng)用領(lǐng)域得以大大拓寬。

目前藍(lán)寶石已經(jīng)廣泛應(yīng)用于民用和軍事等各個領(lǐng)域。在民用領(lǐng)域，藍(lán)寶石用于耐磨結(jié)構(gòu)件、醫(yī)用材料、高溫窗口、微電子行業(yè)襯底材料、激光基質(zhì)材料、光學(xué)棱鏡、手機窗口等。在軍事領(lǐng)域，藍(lán)寶石作為高速飛機和導(dǎo)彈的透波窗口、光電吊艙、潛艇的光電桅桿等領(lǐng)域。

圖1 藍(lán)寶石晶體及加工后的晶棒晶片

1. 藍(lán)寶石的基本結(jié)構(gòu)

藍(lán)寶石的組成為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，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(lán)寶石，因而使藍(lán)寶石顯現(xiàn)出不同的顏色。在自然界中藍(lán)寶石晶體內(nèi)含有鈦離子（Ti³⁺）與鐵離子（Fe³⁺）時，會使晶體呈現(xiàn)而成為藍(lán)色藍(lán)寶石（Blue Sapphire）。當(dāng)晶體內(nèi)含有鉻離子（Cr³⁺）時，會使晶體呈現(xiàn)紅色，而成為紅寶石（Ruby）。又當(dāng)晶體內(nèi)含有鎳離子（Ni³⁺）時，會使晶體呈現(xiàn)黃色，而成為黃色藍(lán)寶石。藍(lán)寶石單晶是一種簡單配位型氧化物晶體，呈各向異性，屬六方晶系，晶格參數(shù)a=b=0.4758nm，c=1.2991nm，α=β=90°，γ=120°。

圖2 Al₂O₃分子結(jié)構(gòu)及藍(lán)寶石晶體結(jié)構(gòu)圖（黑點氧離子，白點鋁離子）

2. 藍(lán)寶石的性質(zhì)

（1）化學(xué)穩(wěn)定性：藍(lán)寶石具有高度的化學(xué)穩(wěn)定性，在絕大多數(shù)化學(xué)反應(yīng)過程中不會被腐蝕。

（2）機械特性：藍(lán)寶石單晶因其高硬度和高強度，可以在溫度范圍從超低溫至1500℃高溫之間的不同環(huán)境中保持高強度、耐磨耗與高度的穩(wěn)定性。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。

（3）光學(xué)透過率：藍(lán)寶石單晶材料的穿透波長范圍為0.19nm-5.5nm，加之其優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性，抗磨損，高硬度和耐高溫等特性，使藍(lán)寶石制作的窗口片和傳感器光學(xué)零件廣泛應(yīng)用于高真空系統(tǒng)、高溫爐及其他苛刻的環(huán)境。

（4）熱力學(xué)特性：2050℃左右的熔點，加之優(yōu)越的化學(xué)、機械及光學(xué)特性，使藍(lán)寶石晶體廣泛應(yīng)用于許多苛刻的加工環(huán)境中。

（5）耐磨損性：由于具有很高的硬度和透明度，是藍(lán)寶石晶體常用于制作耐磨損窗口或其他精密機械零件。

（6）介電性能：有電介質(zhì)絕緣、恒定的介電常數(shù)。

（7）藍(lán)寶石還具有高拉伸強度、抗沖刷性、熱導(dǎo)性、顯著的抗熱沖擊性等性能。

3. 藍(lán)寶石的制造過程

3.1 藍(lán)寶石晶棒制造過程

長晶：利用長晶爐生長尺寸大且高品質(zhì)的單晶藍(lán)寶石晶體。

定向：確保藍(lán)寶石晶體在掏棒機臺上的正確位置，便于掏棒加工。

掏棒：以特定方式從藍(lán)寶石晶體中掏取出藍(lán)寶石晶棒。

滾磨：用外圓磨床進行晶棒的外圓磨削，得到精確的外圓尺寸精度。

品檢：確保晶棒品質(zhì)以及掏取后的晶棒尺寸與方位是否合客戶規(guī)格。

3.2 藍(lán)寶石晶片制造過程

定向：在切片機上準(zhǔn)確定位藍(lán)寶石晶棒的位置，以便于精準(zhǔn)切片加工。

切片：將藍(lán)寶石晶棒切成薄薄的晶片。

研磨：去除切片時造成的晶片切割損傷層及改善晶片的平坦度。

倒角：將晶片邊緣修整成圓弧狀，改善薄片邊緣的機械強度，避免應(yīng)力集中造成缺陷。

拋光：改善晶片粗糙度，使其表面達到外延片磊晶級的精度。

清洗：清除晶片表面的污染物（如：微塵顆粒，金屬，有機玷污物等）。

品檢：以高精密檢測儀器檢驗晶片品質(zhì)（平坦度，表面微塵顆粒等），以合乎客戶要求。

4. 藍(lán)寶石的應(yīng)用

（一）光學(xué)窗口和整流罩

藍(lán)寶石單晶制作的整流罩已廣泛用于機載、星載、艦載以及潛基、陸基光電設(shè)備，尤其在高馬赫數(shù)導(dǎo)彈整流罩、透明裝甲、潛艇窗口以及高功率強激光等軍用設(shè)備中的地位和作用不可替代。如：美國海軍戰(zhàn)區(qū)防御系統(tǒng)截?fù)魧?dǎo)彈、斯普林特防御攔截彈(HEDI)、美國第五代近距空對空導(dǎo)彈(AM–9X)、以色列新一代近戰(zhàn)空對空導(dǎo)彈(Python5)以及已安裝于美、德、韓和希臘等國軍艦上的導(dǎo)彈(RM–116RAM)等都使用了藍(lán)寶石整流罩。

圖3 藍(lán)寶石整流罩

（二）半導(dǎo)體照明行業(yè)

藍(lán)寶石在照明行業(yè)主要用作LED襯底，即LED基板，也有稱之為支撐襯底。襯底是外延層生長的基板，在生產(chǎn)和制作過程中，起到支撐和固定的作用。它與外延層的特性配合要求比較嚴(yán)格，否則會影響到外延層的生長或是芯片的品質(zhì)。對于制作LED 芯片來說，襯底材料的選用是首要考慮的問題。目前藍(lán)寶石襯底LED產(chǎn)品市場占有率高達90%以上。

圖4 白光LED光源

（三）摻鈦藍(lán)寶石激光器

摻鈦藍(lán)寶石單晶(Ti³⁺:Al₂O₃)的激光應(yīng)用最早于1982年被發(fā)現(xiàn)后，對其研究不斷深入，以Ti:Al₂O₃作為工作物質(zhì)的各類激光器也迅速發(fā)展。Ti³⁺:Al₂O₃激光器為科研提供了便利和靈活的研究工具。與其他激光材料相比，其主要特點是：

（1）光譜輸出范圍從超窄單一頻率到寬的帶寬，覆蓋幾百納米，可提供超快脈沖（僅為電場的幾個振蕩）；

（2）寬的可調(diào)諧范圍，可達400nm；

（3）高功率。如對于全固態(tài)可調(diào)諧Ti³⁺:Al₂O₃激光器，天津大學(xué)和中國科學(xué)院物理研究所已分別實現(xiàn)6W（其轉(zhuǎn)換率為22.2%）和6.44W（其轉(zhuǎn)換率為40.25%）的激光輸出。

目前，Ti:Al₂O₃激光器已實現(xiàn)脈沖、準(zhǔn)連續(xù)、連續(xù)、鎖模運轉(zhuǎn)，已涉及激光器研究領(lǐng)域的各個方面，包括：提高輸出功率、擴大調(diào)諧范圍、壓縮線寬、穩(wěn)頻以及提高光束質(zhì)量等。

圖5摻鈦藍(lán)寶石激光器

（四）摻雜藍(lán)寶石單晶熱（光）釋光材料

α-Al₂O₃:C晶體用于制造熱釋光探測器主要有以下特點：

（1）熱釋光靈敏度高，為常用熱釋光晶體LiF:(Mg,Ti)的40--60倍；187℃附近的發(fā)光峰型單一，有效原子序數(shù)相對較低(10.2)；

（2）低本底劑量響應(yīng)臨界值(10^-6Gy)，輻射劑量響應(yīng)為線性--亞線性，線性響應(yīng)范圍寬；

（3）α-Al₂O₃:C晶體420nm處的發(fā)射峰正好處于光電倍增管響應(yīng)的最佳峰值，在低劑量條件下，α-Al₂O₃:C晶體探測器可重復(fù)使用且無需退火處理。

（五）光學(xué)元件、探測窗口及其它應(yīng)用

藍(lán)寶石單晶因其理想的光學(xué)性能及機械性能，可制作成實驗用的光學(xué)元件，如透鏡、棱鏡及反射鏡；以及科學(xué)研究用的探測儀器，如重力波探測儀等。藍(lán)寶石單晶因具有寬透過波段、高透過、高強度、耐高溫、耐磨損、耐腐蝕，而可用作在各種高溫、高壓等惡劣環(huán)境下工作的設(shè)備及儀器的觀察窗口和探測窗口，如：耐高溫的熱電偶及鍋爐水位計，耐磨損的商品條碼掃描儀窗口，耐腐蝕的煤、氣、油井探測用的傳感器及探測器窗口等。在其它民用方面，藍(lán)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。還有各種杯具器皿、透明燈具及護目鏡片等。

圖6 掃描儀掃描窗口、手表表蒙、纖維導(dǎo)絲器、照相機外護鏡頭及耐磨軸承

參考資料

[1] 于國建. 泡生法藍(lán)寶石單晶生長及缺陷研究[D]. 山東大學(xué), 2014.

[2] 張雪平. 藍(lán)寶石晶體生長與LED應(yīng)用研究[D]. 湖南大學(xué), 2012.

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