蓝宝石系列第 3 部分:
现代合成蓝宝石应用


之前我们介绍了作为宝石和主要工业材料的蓝宝石,所有这些蓝宝石都凝聚着人工合成的晶体生长技术。 合成蓝宝石是我们的日常生活司空见惯的物质,它具有理想的其理想的光学、力学、热学、化学和结构特性,从而缔造了一大批令人爱不释手的产品。

图 1. 在过去的 25 年里,用于
高功率激光器的掺钛合成蓝宝石晶体一直通过热交换器法生长。 由 GT
Advanced Technologies 提供。
合成蓝宝石的转折点是 1960 年问世的激光。 Theodore Maiman 用焰熔法生长的棒状红宝石晶体展示了第一束光学激光。 火焰法生长的红宝石其质量不足以用于商业激光器,从而催生了使用柴可拉斯基法生长的合成蓝宝石。 直至今日,各种成分的激光晶体依然用这种方式这样。 红宝石晶体传统用于军事测距仪和化妆品,如纹身和脱毛,但现在它已经基本被其他激光材料取而代之。 目前,红宝石激光器主要用于生产全息图像以及在钻石上钻小孔。

另一种值得注意的激光晶体是钛蓝宝石,它往往通过柴可拉斯基法或热交换法(图 1)制造。 钛蓝宝石激光器能够产生极高的能量和超短脉冲(皮秒、飞秒、甚至阿托秒的持续时间),有助于推动基础研究,并可能成为将来实现核聚变能的关键力量。

图2。 蓝宝石窗户广泛应用于航空航天工业。 由 GT
Advanced Technologies 提供。
确定能够生长更大的掺铬红宝石晶体之后,科学家便马不停滴地开始研制掺杂合成蓝宝石(一般称为“白色蓝宝石”或“”),作为耐用、高透明的材料。 20 世纪 60 年代见证了使用低缺陷晶体与高化学纯度制造激光军用防护罩、航空航天窗户(图 2)、防弹装甲和各种防刮表面的兴起。 蓝宝石以其优越的绝缘和结构特性,成为硅 (1963) 和氮化镓 (1969) 等单晶半导体的理想材料。 这为合成蓝宝石开辟了更大的市场机遇,包括更快速和更节能的电路,例如,20 世纪 70 年代开发的惠普 41 系列计算器所使用的电路。 该技术还使得波长更短的蓝色、紫外和白色发光二极管 (LED) 成为可能。 蓝宝石的基质可以生长至相当之大,直径可达 10 英寸(图 3)。 随后是合成白色蓝宝石的最终商业应用。

图 3。 图中所示为 Monocrystal 的 10 英寸蓝宝石基质,旁边为 2 英寸蓝宝石
基质。 图片由 Monocrystal 提供
当我们在收银台结账,将商品穿过收银机旁边的扫描窗口时,会听到非常熟悉的“哔哔”声。 扫描窗口的表面由非常薄的蓝宝石片制成,这层玻璃不会被通过扫描的无数商品产生刮擦而更换。 这一应用最先开发于 1978 年(图4),现在在世界各地的零售商店都可以看到。 蓝宝石窗口也可以用来保护生物指纹传感器。 有人猜测,智能手机公司可能会对这一技术感兴趣,而这只是工业合成蓝宝石大放异彩的开始。

图 4。 照片显示第一个蓝宝石零售终端窗口的原型。 照片由 Courtesy of Frank Bruni 提供。 如需阅读该原型的更多信息,请访问 http://frankbruni.com/uncategorized/the-birth-of-the-sapphire-pos-terminal-window
蓝宝石一直用作手机照相机镜头的保护层,并且它已经经过智能手机和电子输入板制造商的测试,能够防止屏幕碎裂(图 5)。 一些非常高端的智能手机已经配备蓝宝石触摸屏。 如果明年制造的所有手机均使用蓝宝石屏幕,那么大约需要生产十亿成品蓝宝石屏幕。 消费者对防刮擦、无裂纹屏幕的要求非常高,各类市场竞争企业和行业分析师发现,消费者愿意为这一功能额外支付 30 美元到 50 美元。 即便如此,目前合成蓝宝石产量可能无法满足需求。

图 5。 大量合成蓝宝石被用来生产这些智能手机的显示屏幕。 GT Advanced Technologies。
蓝宝石基质则用来生产下一代环境照明白光 LED。 白色 LED 实际上是蓝色 LED(图 6),它的表面涂有黄色发光荧光体,这种组合能产生白色光线。 LED 照明的前景一片光明,因为世界各地都在追求更加节能且含有更少有毒元素(如汞)的材料。 这将带来基质蓝宝石每年数百万的需求,并且还将不断增长,为不同应用生产合成蓝宝石的制造商也将激烈争夺资源。

图 6. 蓝色、紫外线和白光 LED 通常位于蓝宝石
基质。 白色 LED 通过在蓝色 LED 上涂抹磷光涂料
(如铈钇铝柘榴石)而形成。 由 GT Advanced Technologies 提供。
那么,宝石学如何与之密切相关?蓝宝石在合成宝石市场占据了相当大的比例。 但即使合成宝石级刚玉的需求增加,但对于采用工业生长生产且作为宝石原料的蓝宝石晶体,其产量依然不断萎缩。 随着蓝宝石技术应用的不断增加,合成宝石行业将继续受到生产质量、供应和定价的影响,这些主题将在本系列第四部分也是最后一部分重点探讨。

Jennifer Stone-Sundberg 是 Crystal Solutions, LLC 的执行董事,也是《宝石与宝石学》(Gems & Gemology) 的技术编辑。 她擅长晶体生长和特征化工艺。