蓝宝石项目晶体生长技术研究报告.doc

(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(LaserInterferometerGravitationalWaveObservatory)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:△n<2×10-7,弱光吸收系数(1064nm):10-6/cm;红外成像探测设备的窗口材料,最***为￠150mm,工作波段透过率>80%。另外,基于实际加工过程中加工余量和透波方向的考虑,蓝宝石单晶坯体必须具有一定的外形尺寸方可满足上述要求,所以低成本、高质量地生长大尺寸蓝宝石单晶已成为当前面临的迫切任务。(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(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。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***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℃,最高工作温度可达1900℃。因此,蓝宝石作为一种重要的技术晶体,已被广泛地应用于科学技术、国防与民用工业的许多领域。图1蓝宝石晶体表1氧化铝(Al2O3)-=Å,c=Å莫氏硬度9(仅次于钻石:10)熔点2040℃沸点3000℃×10-6/K  (***@100℃) 折射率no== dn/dt13x10-6/K(***@633nm)透光特性T≈80%(~5μm) (∥c),(⊥c) 图2Al2O3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;,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