蓝宝石系列第 2 部分:
下一代蓝宝石晶体生长技术
八月 6, 2013
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)。
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。
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。
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)。
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。
作者简介
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。