蓝宝石材料的性能和应用研究

　摘 要 蓝宝石以其独特的晶体结构而具有许多优异的性能，比如硬度高、耐磨性化学稳定性和耐热性好，而且随着市场的不断扩大和晶体生长技术的不断提高，蓝宝石的应用领域也在不断拓展，近期呼声较高的蓝宝石手机面板就代表了当前的一个主流应用方向。 

　　关键词 蓝宝石;光学窗口;整流罩;LED;手机面板  

　　蓝宝石俗称刚玉，主要成分是Al2O3，是一种常见的简单配位型氧化物晶体。自然界中的蓝宝石由于含有一些杂质离子而呈现出不同的颜色，比如含有钛离子（Ti3+）与铁离子（Fe3+）的蓝宝石会呈现蓝色，含有铬离子（Cr3+）时会呈现出红色，而当含有镍离子（Ni3+）时，又会使晶体呈现黄色。单纯的氧化铝晶体是呈无色透明的，因为其具有独特的晶体结构、优异的机械性能、光学性能和化学稳定性，可应用于2000℃的高温环境下，所以被广泛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和半导体、大规模集成电路的衬底材料。 

　　人工蓝宝石晶体的生长方法很多，当前主流的方法主要有泡生法、热交换法、提拉法等。而热交换法所生长的晶体直径可达430 mm，重量超过150 kg，在所有蓝宝石生长方法中处于领先水平，直径500 mm的蓝宝石晶体也正在研究之中。近几年，随着国家对LED照明技术推广应用的重视以及人们对于这种先进环保材料的意识逐渐加深，蓝宝石行业迅速发展，大尺寸、高质量蓝宝石晶体的研究与生产逐渐成为目前最具发展活力的新材料产业之一。 

　　本文阐述了蓝宝石的结构、性质、主要制备方法以及目前蓝宝石材料的主要应用领域。 

　　1 蓝宝石的结构和性质 

　　蓝宝石化学组成为Al2O3，属于无色透明的晶体材料。蓝宝石在晶体学中属于六方晶系，晶体空间群为R3C，晶胞结构如图1所示，氧原子和铝原子通过共价键的形式结合，晶格参数a=b=0.4758 nm，c=1.2991 nm，α=β=90°，γ=120°[1]。晶胞结构中O2-作六方最紧密堆积，堆积层垂直于三次轴，Al3+填充于其中2/3八面体空隙，垂直于C轴方向[AlO6]八面体连接成层。另外两个实心[AlO6]八面体则由平行于C轴方向[AlO6]八面体以其面或顶角方向连接而构成，这两个实心[AlO6]八面体沿C轴方向呈3此螺旋对称，和一个O2-围成八面体相间排列的柱体。所以蓝宝石的主要晶型有六方柱、六方双锥、菱面体和平行双晶等，如图2所示[1]。 

　　图1 蓝宝石的晶胞结构     图2 蓝宝石的晶体形态 

　　蓝宝石晶体具备了很多优异的性能，如表1所示，蓝宝石的莫氏硬度为9，仅次于金刚石，强度高，热导率高，抗热冲击性和化学稳定性较好，表面平滑度高，介电性能好。这些性能与其独特的晶体结构密不可分。另外，蓝宝石在3～5 ?m波段具有很高的光学透过率，而且它的单晶的透光范围很广，覆盖了真空紫外、可见、近红外到中红外等诸多波段[2]。这些优越的性能使得蓝宝石在军用、民用领域的地位和作用日益明显。 

　　表1 蓝宝石材料的主要性能 

　　2 蓝宝石材料的应用 

　　1）军事领域。 

　　蓝宝石单晶在军事领域中占有一席之地，最主要的就是在中红外光学光口材料和导弹整流罩方面的应用。 

　　现在战争为了实现导弹的高精度制导，对各个部位材料的要求很高。大尺寸红外光学窗口作为空载光电设备的关键部件，对其材料性能的要求更加苛刻，除了需要具有高的红外透过率，还要具有满足恶劣作战条件所需的机械性能，包括高表面硬度、抗热震性、耐腐蚀、雨蚀等。蓝宝石单晶一方面在红外波段范围内透过率高，另一方面还具有优良的机械、物理性能，如抗拉强度高，抗腐蚀、热导率高，机械性能稳定。因此，这种优越的综合性能决定了它特别适用于制作红外光学窗口，性能表现最突出的地方就是应用于高马赫导弹上的整流罩。由于导弹飞行速度快，整流罩需要承受很高的气动加热温度和气动压力，所以整流罩必须具有良好的抗热冲击能力、强度、刚度和良好的高温稳定性能;另外，整流罩还要受到风沙、雨水和冰雹的侵蚀，因此对其硬度和抗腐蚀性能要求也很高。迄今为止，在红外透过材料中，蓝宝石是高马赫导弹整流罩的一种比较理想的选择。 

　　目前世界上用蓝宝石单晶做成的红外光学窗口和整流罩，已经被很多国家应用在军用航空领域，但目前较高的制作成本仍然是亟需解决的一个重要问题。 

　　2）民用领域。 

　　民用方面，蓝宝石作为一种重要的技术晶体，主要应用在半导体照明、大规模集成电路及超导纳米结构薄膜等的衬底材料上[3]。由于氮化镓材料本身很难生长出单晶，必须生长在与其结构相类似的沉底材料上。可以作为氮化镓衬底的候选材料有蓝宝石、Si、AIN、ZnO等。尽管蓝宝石衬底片与氮化镓之间存在较大的晶格失配，但与其他衬底材料相比，具有高温化学稳定，容易获得大尺寸，以及价格便宜等优点，因此被用来做GaN外延生长的衬底材料。随着技术的不断改进，GaN基发光材料及器件市场的急剧增长，蓝宝石已经成为重要的氮化镓衬底材料，对蓝宝石的需求也随之高速增长。我国在半导体材料和半导体照明领域与世界发达国家差距比较大，这对国内蓝宝石研究及产业化的发展提出了迫切要求，同时对于新兴的蓝宝石企业来说，也是一次很大的机会和挑战。 

　　此外，由于蓝宝石硬度高、耐磨性好，在珠宝装饰、医疗设备、环保产业等方面也有广泛应用。蓝宝石单晶因其较好的光学及机械性能，可用在各种各样的光学元件上，比如透镜、棱镜、反射镜、科学研究用的探测仪器和在各种高温高压恶劣环境下工作的设备及仪器的观察窗口和探测窗口等。   　　民用方面还有一个重要应用是用作替代传统玻璃的各种表镜和面板上。2013年11月苹果公司发布消息称I Phone6可能使用蓝宝石玻璃作为手机面板，此消息引起了国内外的广泛关注。实际上苹果早就在摄像镜头覆盖玻璃和功能主键上使用了蓝宝石材料，用以提高手机面板硬度和抗磨损能力，避免表面刮伤影响拍摄及指纹识别效果。蓝宝石为刚玉晶体，莫氏硬度高达9，而普通的玻璃硬度仅为6～7，蓝宝石的耐用程度为著名手机面板玻璃Gorilla的两倍，光泽度比玻璃好，化学稳定性和热稳定性也优于玻璃面板。但目前使用蓝宝石材料的最大问题是蓝宝石生产工艺复杂，成本较高，特别是大尺寸蓝宝石手机屏幕，每块价格为30～40美元，比玻璃面板高出近10倍。不过，随着蓝宝石大量生产后，成本会有较大的降低空间。 

　　3）掺杂蓝宝石晶体的应用。 

　　掺杂蓝宝石单晶的热释光和光释光特性最早是在20世纪50年代发现的，后来经过一系列的研究，对蓝宝石单晶这方面的性能进行了改善，使其在剂量计及探测器等领域得到了更加深入和广泛的研究应用。 

　　目前，Ti：Al2O3激光器在物理、生物和化学等基础学科的研究方面已取得不小的成绩，在军事与工程方面也应用广泛。这都源于人们掺钛蓝宝石单晶（Ti3+：Al2O3）的发现和研究，随着之后对其研究的不断深入，以Ti：Al2O3作为工作物质的各类激光器也得到了迅速发展[4]。目前这类激光器主要应用在如激光测距、光电干扰等军事领域，以及激光通信、海洋探测、大气环境监测及微加工等诸多领域。 

　　总体来看，目前蓝宝石单晶制备及加工的成本依然较高，其主要应用在军事、光学、LED上。此外蓝宝石手机面板的问世，使得蓝宝石在手机行业中的应用也日益凸显。今后蓝宝石单晶的研究和应用将不断壮大，但前提一定要优化提高蓝宝石单晶生长技术及加工工艺的，使制作成本进一步降低。