蓝宝石

蓝宝石知识介绍•蓝宝石的基础知识•蓝宝石的应用•蓝宝石的市场现状•个人观点蓝宝石的基础知识•蓝宝石英文名称为Sapphire，源于拉丁文Spphins，意思是蓝色；属于刚玉族矿物，三方晶系。宝石界将红宝石之外的各色宝石级刚玉都称为蓝宝石。•蓝宝石主要成分是氧化铝（Al2O3）。刚玉中因含有铁（Fe）和钛（Ti）等微量元素，而呈现蓝、天蓝、淡蓝等颜色，其中以鲜艳的天蓝色者为最好。•天然蓝宝石可以分为蓝色蓝宝石和艳色（非蓝色）蓝宝石。宝石市场上把深蓝色和带有紫色的蓝宝石称为“男性蓝宝石”，浅色蓝宝石称为“女性蓝宝石”。•国际宝石界把蓝宝石定为“九月生辰石”，象征忠诚与坚贞。据说蓝宝石能保护国土和君王免受伤害，有“帝王石”之称。•世界七大蓝宝石产地：1.印度克什米尔2.缅甸抹谷3.斯里兰卡4.泰国5.中国（山东昌乐）6.澳大利亚7.柬埔寨马德望蓝宝石的应用•蓝宝石的基本结构蓝宝石的组成为氧化铝(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，就颜色而言，单纯的氧化铝结晶是呈现透明无色的，因不同颜色元素离子渗透与生长中的蓝宝石，因而使蓝宝石显现出不同的颜色。在自然界中蓝宝石晶体内含有钛离子（Ti3+）与铁离子（Fe3+）时，会使晶体呈现而成为蓝色蓝宝石（BlueSapphire）。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。蓝宝石晶体在晶体的对称分类中属于中级晶族，三方晶系。Al2O3分子结构蓝宝石晶体结构图（其中黑点为氧离子，白点为铝离子）•蓝宝石的性质蓝宝石单晶是一种简单配位型氧化物晶体，呈各向异性，属六方晶系，晶格参数a=b=0.4758nm，c=1.2991nm，α=β=90°，γ=120°。蓝宝石单晶的透光范围为0.14-6.0μm，覆盖真空紫外、可见、近红外到中红外波段，且在3-5μm波段具有很高的光学透过率；具有高硬度(仅次于金刚石)、高强度、高热导率、高抗热冲击品质因子的力学及热学性能；具有耐雨水、沙尘、盐雾等腐蚀的稳定化学性能；具有高表面平滑度、高电阻率及高介电性能。这些优良的光学、力学、热学、化学及电学性能决定了它在军事及民用领域中的重要地位和作用。（1）化学稳定性：蓝宝石具有高度的化学稳定性，在绝大多数化学反应过程中不会被腐蚀。（2）机械特性：蓝宝石单晶因其高硬度和高强度，可以在温度范围从超低温至1500℃高温之间的不同环境中保持高强度、耐磨耗与高度的稳定性。同时是目前已知的硬度最高的氧化物晶体材料，仅次于金刚石达莫氏9级。（3）光学透过率：蓝宝石单晶材料的穿透波长范围为0.19nm-5.5nm，加之其优异的化学稳定性，抗磨损，高硬度和耐高温等特性，使蓝宝石制作的窗口片和传感器光学零件广泛应用于高真空系统、高温炉及其他苛刻的环境。（4）热力学特性：2050℃左右的熔点，加之优越的化学、机械及光学特性，使蓝宝石晶体广泛应用于许多苛刻的加工环境中。（5）耐磨损性：由于具有很高的硬度和透明度，是蓝宝石晶体常用于制作耐磨损窗口或其他精密机械零件。（6）介电性能：有电介质绝缘、恒定的介电常数。（7）蓝宝石还具有高拉伸强度、抗冲刷性、热导性、显著的抗热冲击性等性能。晶体性能化学式Al2O3晶体结构六方晶系晶格常数a=b=0.4758nm，c=1.2991nmα=β=90°，γ=120°空间群R3c单位晶胞中的分子数2光学性能透过波段（μm）0.14-6（其中在0.3-5范围内T≈80%）dn/dt（/K@633nm)13x10-6折射率n0=1.768ne=1.760吸收系数α3μm—0.00064μm—0.0555μm—0.92折射系数n3μm—1.7134μm—1.6775μm—1.627机械和热学性能密度（g/cm3）3.95—4.1莫氏硬度9（仅次于钻石：10）杨氏模量（GPa-1）380断裂强度（MPa-1）400弯曲强度895MPa抗压强度2GPa熔点（℃）2040—2050沸点（℃）3000热导率（W·m-1·K-1）24热膨胀系数(K-1)8.8×10-6比热(J/g)0.782热容(J/mol·K)77泊松比0.27—0.29电阻率（Ω·cm）1014介电常数（F·m-1）11.5（∥c），9.3（⊥c）蓝宝石晶胞（R面、A面、C面）常用来做GaN衬底的是不具有极性的C面（0001），因此GaN的极性由制作过程决定a）从C轴俯看；b）从C轴侧面看•蓝宝石的应用蓝宝石以其综合性能最好，成为使用最广泛的氧化物衬底材料（substratematerials），主要用作半导体薄膜衬底材料、大规模集成电路衬底等。蓝宝石晶体还是红外军用装置、导弹、潜艇、卫星空间技术、探测和高功率强激光(laser)等的优良窗口材料(windowmaterials)，优质光学材料，耐磨轴承材料等，尤其在导弹整流罩、潜艇窗口和原子钟等军品中具有不可替代的作用。在其它民用方面，蓝宝石还可用作透明电子材料、灯管及视窗、半导体晶圆承载装置、热绝缘体、热电偶、紫外红外光学窗口以及重力波探测仪器。（1）光学窗口和整流罩综合性能优良的红外光学窗口及整流罩是高速飞行器系统中的关键部件，其材料必须具备在使用波段的高透过、低散射、高硬度、高强度、低弹性模量，高熔点、高热导率、高抗热冲击品质因子、低热辐射，耐喷气燃料、冰雹、雨水、海水、盐雾及砂粒的冲刷和腐蚀，耐强光辐照等一系列优良的综合性能。金刚石虽有最理想的光学、力学和热学性能，但因体金刚石用作独立的红外光学窗口和整流罩尚存在一些技术瓶颈而离实际应用还有一段距离。氟化镁(MgF2)虽有良好的光学性能及成熟用蓝宝石单晶做成的红外光学窗口和整流罩，的制备技术，但其机械强度很低。氮氧化铝(AlON)虽有较高的机械强度，但其截止波长较短，且其透过率随温度变化明显。尖晶石(MgAl2O4)虽有较高的熔点及良好的化学稳定性，但其抗弯强度不高。蓝宝石单晶制作的整流罩已广泛用于机载、星载、舰载以及潜基、陆基光电设备，尤其在高马赫数导弹整流罩、透明装甲、潜艇窗口以及高功率强激光等军用设备中的地位和作用不可替代。如：美国海军战区防御系统截击导弹、斯普林特防御拦截弹(HEDI)、美国第五代近距空对空导弹(AM–9X)、以色列新一代近战空对空导弹(Python5)以及已安装于美、德、韩和希腊等国军舰上的导弹(RM–116RAM)等都使用了蓝宝石整流罩。(2)掺钛蓝宝石激光器及其应用掺钛蓝宝石单晶(Ti3+:Al2O3)的激光应用最早于1982年被发现后，对其研究不断深入，以Ti:Al2O3作为工作物质的各类激光器也迅速发展。Ti3+:Al2O3激光器为科学研究提供了便利和灵活的研究工具。与其他具有竞争优势的激光材料相比，其主要特点是：（1）光谱输出范围从超窄单一频率到宽的带宽，覆盖几百纳米，可提供超快脉冲(仅为电场的几个振荡)；（2）宽的可调谐范围，可达400nm；（3）高功率。如对于全固态可调谐Ti3+:Al2O3激光器，天津大学和中国科学院物理研究所已分别实现6W(其转换率为22.2%)和6.44W(其转换率为40.25%)的激光输出。目前，Ti:Al2O3激光器已实现脉冲、准连续、连续、锁模运转，已涉及激光器研究领域的各个方面，包括：提高输出功率、扩大调谐范围、压缩线宽、稳频以及提高光束质量等。Ti:Al2O3激光器在基础学科(如物理学、生物学和化学)研究方面已取得广泛应用。因Ti:Al2O3激光器的使用，研究化学反应(如：化学键形成与断裂、分子间能量传递、分子重新构建等所需的时间范围)超快时间表(ultrafasttimescales)的飞秒化学取得了巨大进展；用于超快脉冲放大及光谱相位控制的设备性能也得到了很大提高。Ti:Al2O3激光器还应用于非线性物理、太赫兹产生、时间分辨光谱学、频标计量学、多光子显微镜及生物医学成像等基础研究方面。Ti:Al2O3激光器在军事与工程方面也应用广泛。如激光测距、光电干扰、红外对抗、致盲武器等军事领域，以及激光通信、海洋探测、大气环境监测、激光手术及微加工等诸多领域。(3)掺杂蓝宝石单晶热(光)释光材料及其应用α-Al2O3:C晶体用于制造热释光探测器主要有以下特点：（1）热释光灵敏度高，为常用热释光晶体LiF:(Mg,Ti)的40—60倍；187℃附近的发光峰型单一，有效原子序数相对较低(10.2)；（2）低本底剂量响应临界值(10-6Gy),辐射剂量响应为线性—亚线性，线性响应范围宽(10-6—10Gy)；（3）α-Al2O3:C晶体420nm处的发射峰正好处于光电倍增管响应的最佳峰值，在低剂量条件下，α-Al2O3:C晶体探测器可重复使用且无需退火处理。•蓝宝石单晶最早于20世纪50年代被美国Wisconsin大学的Daniels发现具有优良的热释光(thermoluminescence，TL)性能，但它对γ射线的热释光灵敏度很低。为改善蓝宝石单晶的热释光性能，相继研制了一系列掺杂的蓝宝石单晶热释光材料，如α-Al2O3:(Mg，Ti，Y)、α-Al2O3:Cr和α-Al2O3:(Si，Ti)。1990年，Akselrod等采用提拉法生长了一种优良的新型热释光材料α-Al2O3:C晶体。1995年，Markey等首次研究了α-Al2O3:C晶体的光释光(opticalstimulatedluminescence，OSL)性能。•目前，美国Landauer公司研制生产的α-Al2O3:C热释光剂量计已被欧美国家广泛使用。•国内关于α-Al2O3:C晶体生长以及α-Al2O3:C剂量计的研制起步较晚。2008年，中国科学院上海硅酸盐研究所杨新波等采用导向温梯法和导模法分别生长了可用于制造高灵敏度热释光探测器、热释光和光释光探测器的α-Al2O3:C晶体。(4)蓝宝石光纤传感器及其应用蓝宝石单晶光纤传感器因其在可见至近红外波段具有良好的光学传输特性及蓝宝石单晶的耐高温特性，使得蓝宝石光纤可应用于高温传感和生物医学领域的近红外激光传输。蓝宝石单晶光纤温度传感器除了具有普通光纤温度传感器的动态范围大、灵敏度高、响应快、抗电磁干扰等优点外，还可以实现大范围(室温—2000℃)、高精度(0.2%，1000℃时)、高信噪比(1×106dB，1000℃时)、大带宽(10kHz)的温度测量，并广泛应用于等离子体沉积、高频电加热炉及高温热气流等领域。蓝宝石光纤传感器除了用于测量温度及近红外激光传输外，还可以连续监测高达1600℃高温环境中系统的运行情况，如：结构性能、材料劣化，以及测量诸如压强、应力、应变和化学物质浓度等物化参数。(5)蓝宝石基片和衬底蓝宝石单晶因其优良的机械性能、介电性能(适中的介电常数和较低的介电损耗)、化学稳定性以及高表面平滑度而成为制备高温超导薄膜、红外光学材料、微电子器件等的最优质基片和衬底材料，具体包括：•高温超导薄膜的衬底，如Tl系薄膜TlBa2Ca2Cu3Oy、Tl2Ba2CaCu2O8；•红外光学材料的衬底，如近红外材料的碲镉汞晶体(HgCdTe)，Ⅲ-Ⅴ族化合物的砷化镓(GaAs)、磷化镓(GaP)、氮化镓(GaN)，Ⅱ-Ⅵ族化合物的硫化锌(ZnS)、硒化锌(ZnSe)、碲化镉(CdTe)、氧化锌(ZnO)、SiO2及金刚石等；•大规模集成电路元件及微电子器件的基片，如高亮蓝光LED等。蓝宝石衬底缺点•晶格失配和热应力失配，这会在外延层中产生大量缺陷，同时给后续的器件加工工艺造成困难•蓝宝石是一种绝缘体，常温下的电阻率大于1011Ω•cm，在这种情况下无法制作垂直结构的器件；通常只在外延层上表面制作n型和p型电极；•蓝宝石的导热性能不是很好（在100℃约为25W/（m•K））。因此在使用LED器件时，会传导出大量的热量；特别是对面积较大的大功率器件，导热性能是一个非常重要的考虑因素。为了克服以上困难，很多人试图将GaN光电器件直接生长在硅衬底上，从而改善导热和导电性能。(6)蓝宝石在3C产品的应用相比普