蓝宝石（Al₂O₃）具有高硬度、高强度、耐腐蚀、高光透过率等特点，是人类最早利用的几种天然矿物宝石之一。自1890年法国科学家维纳尔第一次制备了蓝宝石晶体以来，人造蓝宝石晶体制备技术得到了长足发展，晶体质量不断提高，应用领域得以大大拓宽。

目前蓝宝石已经广泛应用于民用和军事等各个领域。在民用领域，蓝宝石用于耐磨结构件、医用材料、高温窗口、微电子行业衬底材料、激光基质材料、光学棱镜、手机窗口等。在军事领域，蓝宝石作为高速飞机和导弹的透波窗口、光电吊舱、潜艇的光电桅杆等领域。

图1 蓝宝石晶体及加工后的晶棒晶片

1. 蓝宝石的基本结构

蓝宝石的组成为Al₂O₃，是由三个氧原子和两个铝原子以共价键型式结合而成，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（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。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°。

图2 Al₂O₃分子结构及蓝宝石晶体结构图（黑点氧离子，白点铝离子）

2. 蓝宝石的性质

（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。

3. 蓝宝石的制造过程

3.1 蓝宝石晶棒制造过程

长晶：利用长晶炉生长尺寸大且高品质的单晶蓝宝石晶体。

定向：确保蓝宝石晶体在掏棒机台上的正确位置，便于掏棒加工。

掏棒：以特定方式从蓝宝石晶体中掏取出蓝宝石晶棒。

滚磨：用外圆磨床进行晶棒的外圆磨削，得到精确的外圆尺寸精度。

品检：确保晶棒品质以及掏取后的晶棒尺寸与方位是否合客户规格。

3.2 蓝宝石晶片制造过程

定向：在切片机上准确定位蓝宝石晶棒的位置，以便于精准切片加工。

切片：将蓝宝石晶棒切成薄薄的晶片。

研磨：去除切片时造成的晶片切割损伤层及改善晶片的平坦度。

倒角：将晶片边缘修整成圆弧状，改善薄片边缘的机械强度，避免应力集中造成缺陷。

抛光：改善晶片粗糙度，使其表面达到外延片磊晶级的精度。

清洗：清除晶片表面的污染物（如：微尘颗粒，金属，有机玷污物等）。

品检：以高精密检测仪器检验晶片品质（平坦度，表面微尘颗粒等），以合乎客户要求。

4. 蓝宝石的应用

（一）光学窗口和整流罩

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。

图3 蓝宝石整流罩

（二）半导体照明行业

蓝宝石在照明行业主要用作LED衬底，即LED基板，也有称之为支撑衬底。衬底是外延层生长的基板，在生产和制作过程中，起到支撑和固定的作用。它与外延层的特性配合要求比较严格，否则会影响到外延层的生长或是芯片的品质。对于制作LED 芯片来说，衬底材料的选用是首要考虑的问题。目前蓝宝石衬底LED产品市场占有率高达90%以上。

图4 白光LED光源

（三）掺钛蓝宝石激光器

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激光器为科研提供了便利和灵活的研究工具。与其他激光材料相比，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。

图5掺钛蓝宝石激光器

（四）掺杂蓝宝石单晶热（光）释光材料

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；

（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。

（五）光学元件、探测窗口及其它应用

蓝宝石单晶因其理想的光学性能及机械性能，可制作成实验用的光学元件，如透镜、棱镜及反射镜；以及科学研究用的探测仪器，如重力波探测仪等。蓝宝石单晶因具有宽透过波段、高透过、高强度、耐高温、耐磨损、耐腐蚀，而可用作在各种高温、高压等恶劣环境下工作的设备及仪器的观察窗口和探测窗口，如：耐高温的热电偶及锅炉水位计，耐磨损的商品条码扫描仪窗口，耐腐蚀的煤、气、油井探测用的传感器及探测器窗口等。在其它民用方面，蓝宝石还可用作医用手术刀具、精密仪表壳体、精密机械轴承及高档钟表、首饰。还有各种杯具器皿、透明灯具及护目镜片等。

图6 扫描仪扫描窗口、手表表蒙、纤维导丝器、照相机外护镜头及耐磨轴承

参考资料

[1] 于国建. 泡生法蓝宝石单晶生长及缺陷研究[D]. 山东大学, 2014.

[2] 张雪平. 蓝宝石晶体生长与LED应用研究[D]. 湖南大学, 2012.

部分资料来源网络。

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