【可研报告】蓝宝石项目晶体生长技术研究报告.doc

PAGE 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：△n2×10-7，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% 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，一般不溶于水和不受酸、碱腐蚀，只有在较高温度下(300℃)可为氢氟酸、磷酸和熔化的氢氧化钾所侵蚀。蓝宝石晶体硬度很高，为莫氏硬度9级，仅次于最硬的金刚石。它具有很好的透光性，热传导性和电气绝缘性，力学机械性能好，并且具有耐磨和抗风蚀的特点。蓝宝石晶体的熔点为2050℃，沸点3500℃ 图1 蓝宝石晶体 表1 氧化铝(Al2O3)特性表 分子式 Al2O3 密度 3.95-4.1 g/cm3 晶体结构 六方晶格 晶格常数 a =4.758? , c =12.991? 莫氏硬度 9 (仅次于钻石:10) 熔点 2040 沸点 3000 热膨胀系数 5.8×10-6 /K? 比热 0.418 W.s/g/k? 热导率 25.12 W/m/k (@ 100℃ 折射率 no =1.768 ne =1.760? dn/dt 13x10 -6 /K(@633nm) 透光特性 T≈80% (0.3～5μm)? 介电常数 11.5(∥c), 9.3(⊥c)? 图2 Al2O3分子结构图；蓝宝石晶体结构上视图 图3 蓝宝石晶体结构侧视图；蓝宝石晶体切面图 图4 蓝宝石结晶面示意图 2.1 透红外窗口材料 1800年，英国天文学家Herschel首先发现红外辐射。在此后200多年里，人们进行了红外物理、红外光学材料、红外光学系统、红外探测器件、红外光谱学及相关应用的探索与研究，其中以军事目的为背景的研究无疑是首当其冲。例如，20世纪50年代中期，红外点源制导型空-空导弹诞生，这就是著名的美国“响尾蛇”导弹；60年代研制出机载红外扫描仪、红外前视装备及早期的空间红外仪器；70年代涌现出通用组件式红外热像仪、星载红外预警系统和更多空间红外仪器；80年代发展以焦平面器件为基础的红外军事装备和空间红外侦察、预警技术。日前，红外技术不仅在已成功运用的领域充分发挥优势，还将更有效地应用于迅速发展的光电对抗、光通讯以及定向能武器方面。在未来新的作战形式和特点下，各种战斗机、导弹都日趋高速化，以提高其攻击性和突防能力。第四代战斗机可超音速巡航，新一代空-空格斗弹、巡航导弹速度将达到3~5Ma。同时，在严重的电子干扰条件下、为了提高导弹的灵敏度和抗干扰能力，制导方式逐渐向多种制导模式复合化(电视、红外成像、雷达等)发展。因此，为了实现未来战斗机、导弹的高速化，多模复合制导，其红外探测器用透红外窗口材料性能应满足以下的基本要求。 机械强度高：透红外窗口材料应具有足够的强度，以承受高速运动时的速压荷载； 热稳定性好：透红外窗口材料应能经受气动加热和高度变化引起的温度冲击，透射比和折射率不应随着温度的变化而发生显著的变化； 化学稳定性好：透红外窗口材料暴露在空气中，应能够防止大气中的盐溶液或腐蚀气体的腐蚀，且不易潮解； 高光学透射率，必须能有效地传输紫外到中红外波段的辐射； 良好光学特性，光学散射小和折射率的均匀性