中国粉体网讯 蓝宝石晶体是用纯度＞99.995%的高纯氧化铝微粉生长而成的，是高纯氧化铝最大的需求领域，具有强度高、硬度大、化学性质稳定等优点，可在高温、腐蚀、冲击等恶劣环境中工作，被广泛运用于国防与民用技术、微电子技术等领域。
从高纯氧化铝粉体到蓝宝石晶体
蓝宝石的关键应用
在国防领域蓝宝石晶体最主要应用于导弹红外窗口，现代战争对导弹的要求精度很高，导弹的红外光学窗口是实现这一要求的关键部件。考虑到导弹处于高速飞行环境时会遭受强烈的空气动力热量以及冲击力，再加上作战环境恶劣，整流罩必须具有高强度和抗击打能力以及一定的抗风沙、雨水等恶劣天气侵蚀的性能。蓝宝石晶体具有透光性好、机械性能优异、化学性质稳定等优点，成为导弹红外窗口的较为理想的材料。
图片来源：晶盛机电
LED衬底是蓝宝石的最大应用，LED应用于照明是继日光灯、节能灯后的第三次革命。LED的原理是将电能转换成光能，当电流经过半导体时，空穴与电子相结合，多余的能量就以光能释放出来，最后产生发光照明的效果。LED芯片技术是以外延片为基础的，通过一层一层的气态材料沉淀到基底上面，基底材料主要包括硅衬底、碳化硅衬底和蓝宝石衬底三种，其中，蓝宝石衬底相比于其它两种衬底方式上具有很明显的优势，蓝宝石衬底的优势主要表现在器件稳定、制备技术成熟、不吸收可见光、透光率较好、价格适中等方面，有资料显示全球80%的LED企业釆用蓝宝石作为衬底材料。
除了应用于上述领域之外，蓝宝石晶体还可用于手机屏幕、医疗设备、珠宝装饰等领域，此外还可用作透镜、棱镜等各种科学探测仪器的窗口材料。
市场规模以及前景
基于政策支持和LED芯片应用场景增长，蓝宝石衬底需求量以及市场规模将面临双位数的增长。预计在2025年，蓝宝石衬底的出货量可达1.03亿片（以4英寸衬底作为折算），相较于2021年增长63%，2021-2025年复合增长率预计达13%；在2025年，蓝宝石衬底市场规模可达80亿，相较于2021年增长108%，2021-2025年市场规模复合增长率预计达20%。蓝宝石晶体作为衬底的“前身”，市场规模及增长趋势可见一斑。
蓝宝石衬底市场规模，资料来源：GGIl，案头研究
蓝宝石晶体的制备
自1891年法国化学家维尔纳叶（Verneuil，A）发明火焰熔融法首次制造出人工宝石晶体，迄今为止人工生长蓝宝石晶体的研究已经有百余年历史了。在此期间，由于科学技术的进步和发展，为了适应工业生产对于蓝宝石晶体质量、提高晶体成品的利用率等以降低生产成本等要求，蓝宝石的生长技术得到了广泛的研究，出现了许多新方法和技术来生长蓝宝石晶体，如提拉法、泡生法、导模法、热交换法等。
提拉法生长蓝宝石晶体
提拉法是1918年由Czochralski，J首创的，故又称为“恰克拉斯基”技术，简称Cz提拉法。1964年由Poladino，AE和Rotter，BD首先将此方法应用于蓝宝石晶体的生长，迄今为止已生产了大量优质的蓝宝石晶体，其原理为：先将原料加热至熔点后形成熔汤，再利用一单晶晶种（即籽晶）接触熔汤表面，在籽晶与熔汤的固液界面上因温度差异而形成过冷，于是熔汤开始在籽晶表面凝固并开始生长出与籽晶晶体结构相同的单晶。同时缓慢的向上提拉籽晶，并以一定速度旋转。随着籽晶的提拉，熔汤逐渐凝固于固液界面，进而形成单晶晶体。这是一种利用籽晶从熔汤中提拉生长出晶体的方法，可从熔汤中制备出高质量单晶，是常用的晶体生长方法之一。
采用提拉法生长晶体，其优点在于：（1）生长速度较快，能在短期内生长出高质量的单晶；（2）晶体在熔汤表面处生长，不与坩埚壁相接触，可有效减少晶体的内应力，提高晶体质量。但此方法生长晶体的一个较大缺点：可生长的晶体直径较小，不利于大尺寸晶体的生长。
泡生法生长蓝宝石晶体
泡生法，在1926年由Kyropouls发明，简称为KY法，其原理与提拉法相似，即将籽晶（seed）接触熔汤表面，然后缓慢向上拉升，但在籽晶往上拉晶一段时间后以形成晶颈，待熔汤与籽晶界面的凝固速率稳定后，籽晶便不再拉升，也不作旋转，仅以控制冷却速率的方式来使单晶从上方逐渐向下凝固，最后形成一个单晶晶体。
采用泡生法工艺生产的产品，具有高品质、低缺陷密度、大尺寸、较佳的成本效益等特点。
导模法生长蓝宝石晶体
导模法作为一种异型晶体生长技术，其运用原理为：通过将高熔点的熔体放入模具当中，熔体受模具毛细作用影响被吸到模具上，实现与籽晶的接触，在籽晶提拉以及不断凝固状态下可形成单晶，同时，模具边缘尺寸与形状对晶体尺寸有着一定限制。因此，这种方法在应用的过程中存在一定局限性，仅适用于管形、U形等异型蓝宝石晶体。
热交换法生长蓝宝石晶体
热交换法制备大尺寸蓝宝石晶体是FredSchmid和Dennis在1967年发明的。热交换法系统保温效果好，能独立控制熔体和晶体的温度梯度，可控性好，较易生长出位错低、尺寸大的蓝宝石晶体。
采用热交换法生长蓝宝石晶体，其优点在于晶体生长时，坩埚、晶体、加热器都不动，消除了如泡生法、提拉法等的拉伸动作，减少人为干扰因素，从而避免机械运动而造成的晶体缺陷；同时可控制冷却速率，减少晶体热应力及由此产生的晶体开裂和位错缺陷，能够生长较大尺寸的晶体，较易操作，具有较好的发展前景。
参考来源：
[1]朱振峰.蓝宝石晶体的金刚石线锯切片加工表面形貌及裂纹损伤的研究
[2]常慧等.大尺寸蓝宝石晶体生长技术的应用研究
[3]张雪平.蓝宝石晶体生长与LED应用研究
[4]刘杰.蓝宝石晶体的制备方法及特点概述
[5]卓韬咨询
（中国粉体网编辑整理/山川）
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