蓝宝石项目晶体生长技术研究报告
蓝宝石研究报告
1. 背景
蓝宝石(Sapphire)是一种氧化铝(α-Al2O3)的单晶，又称为刚玉，如图1。蓝宝石晶体具有优异的光学性能、机械性能和化学稳定性，强度高、硬度大、耐冲刷，可在接近2000℃高温的恶劣条件下工作，因而被广泛的应用于红外军事装置、卫星空间技术、高强度激光的窗口材料。其独特的晶格结构、优异的力学性能、良好的热学性能使蓝宝石晶体成为实际应用的半导体GaN/Al2O3发光二极管(LED)，大规模集成电路SOI和SOS及超导纳米结构薄膜等最为理想的衬底材料。近年来，随着现代科学技术的发展，对蓝宝石晶体材料的尺寸、质量不断提出新的要求。例如，美国国家自然科学基金委员会作为LIGO(Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory)计划中分光透镜用的蓝宝石晶体，晶体尺寸：￠350×120mm，光学均匀性：△n<2×10-7，弱光吸收系数(1064nm)：10-6/cm；红外成像探测设备的窗口材料，最小口径为￠150mm，工作波段透过率>80%。另外，基于实际加工过程中加工余量和透波方向的考虑，蓝宝石单晶坯体必须具有一定的外形尺寸方可满足上述要求，所以低成本、高质量地生长大尺寸蓝宝石单晶已成为当前面临的迫切任务。
2. 蓝宝石晶体的应用
蓝宝石晶体的化学成分为氧化铝(α-Al2O3)，是由三个氧原子和两个铝原子以共价键型式结合而成，其晶体结构为六方晶格结构，如图2、3、4所示。就颜色而言，单纯的氧化铝结晶是呈现透明无色的，因不同显色元素离子渗透于生长中的蓝宝石，因而使蓝宝石显出不同的颜色。在自然界中当蓝宝石在生长时，晶体内含有钛离子(Ti3+)与铁离子(Fe3+)时，会使晶体呈现蓝色，而成为蓝色蓝宝石(Blue Sapphire)。当晶体内含有铬离子(Cr3+)时，会使晶体呈现红色，而成为红宝石(Ruby)。又当晶体内含有镍离子(Ni3+)时，会使晶体呈现黄色，而成为黄色蓝宝石。
表1所列为蓝宝石之特性表。蓝宝石晶体化学性质非常稳定，一般不溶于水
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