蓝宝石系列第 2 部分:
下一代蓝宝石晶体生长技术


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图 1. 这些照片展示了火焰法人造蓝宝石晶体,已经生长的晶体(左)和在熔炉中生长的晶体(右)。 图片由 Hrand Djevahirdjian(SA)提供。
以前我们曾讨论蓝宝石的基本科学知识,包括矿物、化学和物理特性,在其他一些工业应用中,它也发挥着宝石的作用。 我们讨论了合成材料历史上第一个突破,现在,我们将转向下一代生长技术的开发,以满足对更大、更完美的晶体的需求。 正如之前所述,很多使用早期火焰法生长的蓝宝石也用作这种先进生长技术的高纯度原料(图 1)。

大部分蓝宝石晶体使用各种不同的工业方法制造,大致可归纳为溶液或熔体生长方法。 溶液生长包括使用溶剂,例如水(热水)或其他化学物质(助熔剂)在低于其熔点温度的环境中制造。 熔体生长是在熔炉中使用氧化铝 (Al2O3 ) 将温度升高至其熔化温度 (2040°C)。 一颗大型的晶体通常由特定朝向的晶粒开始,要么直接拉出一部分熔体,要么在坩埚中直接融化熔体(梯度凝固)。 熔融技术是这里的重点,因为工业需要体积大的定向晶体。 我们将探索两种拉晶技术,两种双梯度凝固技术以及一种混合技术。  

1960 年,柴可拉斯基法生长技术最先应用至蓝宝石。这种方法在 1918 年发明,涉及在坩埚内的熔融液中旋转和牵引晶体。 直至今日,这种技术对蓝宝石和各种其他晶体材料(包括硅)而言依然具有重要意义,因为它可以形成纯度和缺陷等都拥有最高质量的晶体。 这些产品的质量主要在于精确控制生长速度,这就需要根据质量控制反馈环路仔细调整加热所需的功率。 另一个体现柴可拉斯基法价值的因素是它能够控制有意加入“掺杂”晶体的杂质的分布。 其方法是去除一小部分熔融液,而不是冻结整个熔体(图 2)。

图2。 图中展示的是柴可拉斯基法生长的合成红宝石晶体,旁边是一块组合晶体(左),以及在生长站移除晶体(右)。 照片由 Jennifer Stone-Sundberg 提供。
1962 年,完整边缘薄膜生长技术首次应用于蓝宝石。 这允许在一个成形的模具拉出蓝宝石熔体,生产管材、片材、和其他特定规格的材料。 由于用作各种不同终端的蓝宝石防护窗户的需求不断增加,这种技术将进一步改进(图 3)。 系列文章的下一部分将更加详细地描述此类应用。

图 3。 图中展示的是采用完整边缘薄膜生长技术制造的合成蓝宝石片材(左),以及运用这种技术的生长机器(右)。 照片由 GT Advanced Technologies 提供。

1964 年,Khachik Bagdasarov 引入了独特的梯度凝固技术,晶体从坩埚的一侧一直凝固至另一侧:水平定向凝固法。 Bagdasarov 教授现在依然使用这种工艺生产蓝宝石和其他晶体。 1967 年,Frederick Schmid 引进了另一种梯度凝固技术 — 换热器方法,用于制造各种更大的块状晶体(图4)。 这项技术已经催生了一部分具有最佳光学特性的蓝宝石,目前这些蓝宝石属于 GT Advanced Technologies。该公司以 Advanced Sapphire Furnace 的品牌制造这种方法所使用的熔炉。


图 4。 左上方的两种晶体通过热交换法生长,右上方则是这种方法所使用的机器。 底部为生长过程示意性。 GT Advanced Technologies。
泡生法 (Kyropoulos) 结合了柴可拉斯基法和梯度凝固技术的各个方面,最早在 1980 应用于年蓝宝石。 这种方法类似于柴可拉斯基法,同样需要转动与熔体接触的晶体,但晶体不会拉出熔体。 但是,坩埚内的熔体以非常受控的方式冷却。 泡生法获得了广泛运用,因为它能够产生体积非常大(重达 100 公斤)的高品质蓝宝石晶体(图 5)。

图 5。 该晶体采用泡生法生长,右侧为这种方法所使用的设备。 GT Advanced Technologies。
除了钟表轴承和抗刮擦手表外壳,蓝宝石是否还有其他高科技应用?这些应用充分利用了材料优越的机械、光学、物理、化学和结构特性,这将在本系列的第三部分进行讨论。

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。