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）。
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。
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。
