蓝宝石晶体生长技术回顾.docx

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蓝宝石晶体生长技术回顾

蓝宝石晶体生长技术回顾

引言

不少群众提出意见，博主说了这多不行的，能不能告诉广大投身蓝宝石长晶事业的什么设备行？

说实话，这真的是为难我了！

怎么讲？

举个例子吧，Ky技术设备在Mono手里还真的是Ky，但到了你手里可能就是YY了。

可能你觉得受打击了，可是没有办法啊，事实如此啊，实话听起来往往比较刺耳！

本博主前面发表的《从缺陷的角度谈谈蓝宝石生长方向的选择》博文，迄今为止只有寥寥无几群众真正看出精髓所在..................................不服气群众可以留言谈谈自己了解了什么？

古人云“博古通今”、“温故知新”，我觉得很有道理，技术之道也是如此。

如果没有对以往技术的熟练掌握、熟知精髓所在，没有对以往技术的总结提炼，你就不可能对一个新技术真正的掌握。

任何新技术新设备到你手里，充其量你只是一个熟练操作工而已。

还觉得不信的话，我就在这篇博文里用大家认为最古老的火焰法宝石生长的经验理论总结来给大家进行目前流行的衬底级蓝宝石晶体生长进行理论指导。

蓝宝石晶体生长技术简介

焰熔法（flamefusiontechnique）&维尔纳叶法（Verneuiltechnique） 

     1885年由弗雷米（E.Fremy）、弗尔（E.Feil）和乌泽（Wyse）一起，利用氢氧火焰熔化天然的红宝石粉末与重铬酸钾而制成了当时轰动一时的“日内瓦红宝石”。

后来于1902年弗雷米的助手法国的化学家维尔纳叶（Verneuil）改进并发展这一技术使之能进行商业化生产。

因此，这种方法又被称为维尔纳叶法。

弗雷米（E.Fremy）、弗尔（E.Feil）和乌泽（Wyse）这几个哥们实际上就是做假珠宝的，一群有创新精神的专业人士。

博主对两类造假者比较佩服，一类是以人造珠宝以假乱真的，一类是造假文物的。

首先、他们具有很高的专业素养；其次、他们也无关民生大计；还有利于社会财富的再分配。

至于火焰法简单的描述我就不啰嗦了，我讲讲一些你所不知道的火焰法长宝石的一些前人总结；这些总结和经验对今天的任何一种新方法长蓝宝石单晶都是有借鉴意义的。

100多年来火焰法工作者在气泡、微散射，晶体应力和晶体生长方向的关系，晶体生长方向与缺陷、成品率之间的关系做了大量的数据总结，可以讲在各个宝石生长方法中研究数据是最完备的。

在这篇博文里我只讲讲个人认为对其他方法有借鉴意义的一些总结。

   微气泡&微散射问题

   火焰法所用的氧化铝原料是采用焙烧硫酸铝方法所制备的，这个方法制备的原料目前也大量用于其他方法的生长宝石晶体，比如提拉、EFG、HEM、坩锅下降法类等等；你所见到的熔融块状料颗粒氧化铝料都属于这一类。

这种方法制备原料过程中，有时候焙烧温度过低时，硫酸铝按未能完全分解，氧化铝粉中台有大量的硫酸铝（火焰法行业习惯称之“欠烧粉”）。

在原料中或生成的熔融块状料颗粒氧化铝料带有微量的硫酸铝，生长晶体时硫酸铝再次分解，使晶体内残存气泡、不熔物等。

原料中含有过量的Ca、Mg等杂质也会引起开裂；K含量过高时散射颗粒沿中心密集分布；以上几种杂质往往是焙烧硫酸铝法最难去除的，其他方法采用熔融块状料颗粒料生长蓝宝石晶体的也会出现以上类似问题。

顺带要提一下的是颜色问题，在生长火焰法白宝石的时候为了提高白宝石的成品率（下面会提到，主要是减少开裂），往往需要要进行掺杂一些金属离子；在氧化性的气氛下这些离子是不显色的，在还原性气氛下这些离子开始显色。

所以在制备氧化铝挑选原料的时候有意识的挑选一些相关离子含量高的铝土，制备的氧化铝中有些金属离子偏高。

而在坩锅下降、HEN、Cz、泡生法等等方法中，统统是还原性气氛；所以晶体会出现形形色色的彩色。

晶体应力和晶体生长方向的关系

  火焰法所说的成品率，仅指晶体生长结束是否炸裂和梨晶分成两个半片后的开裂情况。

在其他晶体生长领域实际上指的就是应力的问题，从以上图表可以看出，C向长的晶体应力是最大的所以成品率最低；当晶体取向为60°一70°时，纵向和横向应力均等，晶体不轻易发生纵裂和横裂，成品率高。

当晶体超过75度取向时，逐渐转向横裂，A向生长时的方向是比较接近60°一70°的。

又一个侧面论证了宝石哪个方向是更适合于晶体生长。

       晶体生长方向与缺陷的关系

蓝宝石晶体的主要缺陷为位错线（EPD）和镶嵌结构（差排线：

影响单晶性）；镶嵌结构是由大量位错集中产生的或是位错线高温下运动产生的。

火焰法生长的宝石位错密度和晶体生长方向有关，C的位错密度大约是A向的10~100倍。

镶嵌结构的形成和很多生长条件有关，但生长方向是一个主要原因。

火焰法晶体大量实验数据总结证明，C向生长的晶体最不完整，镶嵌结构约占70%；而A向生长的镶嵌结构约占11%；取向73°的晶体镶嵌结构约占33%。

同时火焰法的工作总结也很好的告诉了我们，宝石晶体如何选择退火温度以及如何退火。

参考文献：

1：

刚玉晶体制造（1968）

2：

Curtis，D.A.andThorp，J.S；Brit.J.ofAppl.Phys；16，734（1965）

3：

Stephens,D.L.andAlford,W.J;JofAmer.Cer.Soc;47,81（1964）

4：

中国科学院物理所红宝石组，实验工作数据，（1964）

提拉法（pullingtechnique）&丘克拉斯基法（Czochralskitechnique）

  世界500强公司中的霍尼韦尔和圣戈班都采用过Cz法进行蓝宝石晶体生长；后来霍尼韦尔把蓝宝石晶体生长事业部卖给了中国重庆四联，四联目前又从乌克兰引进了泡生法救急；圣戈班则把蓝宝石事业部卖给了中国上海的超硅，一堆精英组成的很牛的公司。

呵呵，这两家公司是否能把Cz发扬光大，超越他们的原来主人？

我们拭目以待！

Kyropoulos法

  该方法是目前市场上衬底蓝宝石材料来源的主流，以俄罗斯的MonoCrystal和美国的RUBICON为代表。

关于Ky的种种说法和版本，请参看《从各个版本的Ky反映出的民族特性》。

坩锅下降法及其变种

温度梯度法Temperaturegradienttechnique（TGT）

热交换HeatExchangeMethod

具体分析见博文《神坛上的美国蓝宝石晶体生长设备》。

导模法Edge-Definedfilm-FedMethod

具体分析见博文《日本韩国蓝宝石生长水平浅析》。

代表公司为RussiaROSTOX-NCo;JapanKyocera

主要用途：

窗口材料；

水热法和熔盐法

把这两种方法放在一起介绍主要是因为它们都是用于珠宝人造宝石级刚玉的生长，都是人造宝石中的高端产品。

水热法是利用高温高压的水溶液使那些在大气条件下不溶或难溶的的物质溶解，或反应生成该物质的溶解产物，通过控制高压釜内溶液的温差使产生对流以形成过饱和状态而析出生长晶体的方法。

自然界热液成矿就是在一定的温度和压力下，成矿热液中成矿物质从溶液中析出的过程。

水热法合成宝石就是模拟自然界热液成矿过程中晶体的生长。

助熔剂法又称熔剂法或熔盐法，它是在高温下从熔融盐熔剂中生长晶体的一种方法，模拟了地壳运动的火山过程。

助熔剂法生长宝石晶体的特征与天然宝石非常相似，特别是宝石晶体生长过程中或多或少存在着包裹体、生长条纹、位错和替代性杂质等缺陷，有效的模仿了天然宝石中各种宝石的内含物。