中国粉体网讯 蓝宝石是人类最早利用的几种天然矿物宝石之一。在应用的最早期主要利用自然界存在的天然晶体，用于装饰使用。自1890年法国科学家维纳尔第一次采用火焰法制备了人造蓝宝石晶体以来，蓝宝石晶体的制备技术得到了长足的发展，人造蓝宝石晶体质量不断提高，而且蓝宝石的应用领域也得以大大的拓宽。而5G时代也将开启蓝宝石新材料的新市场。
1.蓝宝石晶体的基本性质
1.1蓝宝石的晶体结构
蓝宝石晶体的化学成分为氧化铝(Al2O3)，是由两个铝原子和三个氧原子以共价键型式结合而成。氧的堆积方式有两种：六方最密堆积和立方最密堆积两种类型，铝的配位方式也有两种：6个氧的八面体中心位置和4个氧的四面体中心位置，以此组合，产生氧化铝结构的多样性。
蓝宝石晶体结构
1.2蓝宝石晶体的主要性能
蓝宝石单晶化学稳定性很高，常温下耐酸、碱腐蚀性好，当温度大于300℃时，才会被氢氟酸、熔融态氢氧化钾等强酸、强碱轻微腐蚀。蓝宝石单晶的硬度非常高，仅次于金刚石，莫氏硬度为9级。蓝宝石单晶的光学透过性优良，透光率高达95%，尤其是红外透光性更是达到了85%的程度。蓝宝石单晶的熔点为2050℃，可在1900℃的高温下稳定工作。另外，蓝宝石晶体在导热、电绝缘、耐磨蚀、机械加工等方面都有良好的表现。
蓝宝石的物理性质
2.蓝宝石的生长方法
2.1提拉法
提拉法是熔体中生长单晶的最重要的方法之一，它利用籽晶在铱坩埚的氧化铝熔体中旋转、提拉生长蓝宝石单晶。
提拉法晶体生长装置示意图
优点：(1)在晶体生长的过程中可以观察晶体生长的情况，便于调整参数来控制晶体的形状及长度；(2)可以大大降低位错密度，使晶体完整性较高；(3)生长时晶体不与坩埚接触，使得晶体生长时的应力减小。
缺点：(1)成本较高，不容易批量生产；(2)生长时籽晶在熔体内部旋转易使晶体产生缺陷；(3)相比与泡生法所生长的晶体尺寸也较小。
2.2导模法
导模法起源于20世纪60年代，作为提拉法的一种延伸，即直接从熔体中生长出所需形状的晶体毛坯，其坩埚和模具的材料均采用钼。导模法一般用于生长特定形状的晶体。
导模法晶体生长装置及其模具装置示意图
优点：(1)能生长出形状复杂的晶体，且尺寸精度较高；(2)生长速度快，节约能源；(3)避免了后续加工过程，由于蓝宝石硬度很高，加工难度大，所以很大程度的节约了加工成本。
缺点：(1)技术难度大，容易形成气孔等缺陷，且不易改变；(2)模具材料有可能会在高温下熔解进入坩埚内，造成熔体污染；(3)很难生长出大尺寸蓝宝石。
2.3泡生法
泡生法是将一根受冷的籽晶与熔体接触，当熔体的温度低于凝固温度时，晶体开始生长，可以利用降低熔体温度并下放旋转籽晶的方法来使晶体长大，其原理是改变熔体的温度分布，另外也可以较缓慢的向上提起籽晶杆，从而扩大散热面，来使晶体生长。泡生法是目前生长大直径蓝宝石单晶的有效且较成熟的方法，已制备出大尺寸的蓝宝石单晶。
泡生法晶体生长装置
优点：(1)生长速度快；(2)能够生长出大尺寸的晶体；(3)是在提拉法的基础上发展起来的，所以具有提拉法的优点；(4)晶体在整个生长过程中不被提出坩埚，所以可以精确的控温，减小应力，降低位错密度。
缺点：(1)对温度控制部分要求严格，对控温元器件损耗较大；(2)成本较高。
2.4 SAPMAC法
SAPMAC又称冷心放肩微量提拉法,是在提拉法和泡生法的基础上发展起来的，其过程大致可分为：真空条件下加热原料、引晶、冷心放肩、等径提拉、收尾和退火及冷却阶段。
SAPMAC法生长装置
SAPMAC方法的优点：(1)由于采取的是微提拉，所以对熔体内部及温场的影响都很小，降低了应力及位错密度；(2)加热体是鸟笼形状的，温场均匀；(3)坩埚上下都有隔热屏，温场稳定性高；(4)可以再降温时进行原位退火，降低应力；（4）材料综合利用率是传统泡生法的1.2倍以上。
2.5热交换法
热交换法是生长大尺寸、高质量蓝宝石最成熟的方法之一。生长过程完全依靠生长设备所产生的温度梯度。籽晶置于坩埚底部，同时在坩埚底部通入氦气以保持籽晶处于低温区，待原料全部熔化后，加大氦气的流量，使得低温区域不断上升，从而获得晶体。
热交换法生长装置
优点：(1)能较准确的控制温度，能够生产尺寸较大的蓝宝石；(2)在生长过程中未经历旋转等过程，与提拉法相比，晶体的完整性和均匀性都很高；(3)可以通过调整坩埚的形状来得到不同形状的晶体。
缺点：(1)需要通入大量氦气，成本较高；(2)不能生长C方向的晶体，对设备要求较高。
2.6导向温梯法
导向温梯法是一种与重力加速度方向相反的温场和熔体相对系统静止，即以定向籽晶诱导的熔体结晶的方法。
导向温梯法生长装置
优点：(1)晶体生长过程中，设备内的温度梯度方向与重力方向相反，同时晶体，坩埚等也不发生相对移动，减小了热对流，从而降低了引起熔体内涡流的可能；(2)熔体生长时所产生的温度和机械扰动会被外层包围的熔体消除，从而降低影响；(3)晶体生长后，仍在熔体的包围中，这样便可以更精确的控制降温冷却过程，减少应力。
缺点：(1)加热体为石墨，高温情况下有一定挥发性，会将杂质元素带入到晶体当中，所生长的晶体多为淡红色；(2)温场难以控制，很难长出大尺寸的晶体；(3)能量耗费大，生长周期较长；(4)坯料的后续处理工序比较繁琐，不易批量化生产。
2.7焰熔法
1902年由法国人维尔纳叶首次确立并发表，这种方法也是第一种用于工业化生产的方法，位于顶端的氧化铝原料下落，通过氢氧焰的燃烧熔化，落在下方的籽晶上，逐渐生长成晶体。
优点：(1)设备简单，容易产业化；(2)成本较低，对于大量的对精度要求不高的仪器上的晶片来说，是比较好的生长方法。
缺点：(1)所生长出的晶体尺寸较小；(2)存在大量的镶嵌结构，质量较差，不能用在高精度要求的设备上。
2.8坩埚下降法
坩埚下降法的籽晶位于坩埚底部，当原料完全熔化后，通过移动坩埚来使晶体生长。
优点：(1)晶体完整型好，无镶嵌结构等缺陷；(2)生长过程可以通过观察口进行观察，便于控制；(3)生长速度快，后续加工过程简单，使得掏棒和滚磨两道工序得到了一定程度的简化。
缺点：(1)坩埚会带来一定程度的污染；(2)如果熔体中有易挥发物，很难控制和解决。
3.蓝宝石的应用
蓝宝石是一种集优良光学性能、物理性能和化学性能于一身的独特晶体，是现代工业重要的基础材料。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照明（LED）、大规模集成电路SOI和SOS及超导纳米结构薄膜等理想的衬底材料。同时，蓝宝石强度高、硬度大、耐冲刷，其作为屏幕材料被广泛应用于智能设备、红外军事装置、卫星空间技术、高强度激光窗口等领域。
近三年来，LED衬底材料应用占蓝宝石需求量的约80%以上，而非LED应用约占蓝宝石需求量的20%。
2017年全球蓝宝石材料市场结构（单位：%）
4. 5G时代下蓝宝石的发展机遇
5G时代，也被称为IoT万物互联时代。随着5G通讯网络及终端设备在全球范围内加速建设，消费电子产业链迎来一个全新的赛道。智能穿戴也将成为5G时代的一个关键布局。
由于在透红外光和抗划伤等方面的突出优势，蓝宝石可广泛应用于消费电子领域，主要包括智能手机摄像头的保护盖板、指纹识别HOME键盖板、智能手表屏幕盖板以及未来可能推广的智能手机屏幕盖板等。随着5G脚步的加速靠近，蓝宝石也将迎来重大发展机遇。
根据IDTechEx的最新报告《2019-2029可穿戴技术预测》，2019年全球可穿戴技术产品市场的规模将超过500亿美元。根据市场调查机构IDC公布的最新报告，2019年可穿戴设备市场全球出货量有望突破2.229亿台，如果按照7.9%的复合年增长率来计算的话，在2023年全球可穿戴设备市场规模将增加至3.023亿台，智能手表出货量预计将从2019年的9180万台增长到2023年的1.316亿台。其中，智能手表和耳戴式设备出货量将占整体可穿戴出货量的70%以上。
业内预计，到2021年，智能手机蓝宝石盖板的市场规模将由2016年的2.3亿美元增长至139.8亿美元，智能手表用蓝宝石盖板的市场规模可由2.4亿美元增长至6.2亿美元。而到2020年，全球蓝宝石材料市场营收也将从2015年的70.5亿人民币增长到341.5亿人民币，年均复合增长速度达到37.1%。
小结
面对5G带来的历史性机遇，未来蓝宝石在消费电子上的应用将从“小屏”逐渐延伸到“大屏”，即从现在的摄像头、Home键等较小的面积，向手表表盘甚至手机屏幕等较大面积的应用逐步发展。蓝宝石盖板或将是未来行业的蓝海。
参考资料：
范志刚等.蓝宝石单晶的生长技术及应用研究进展
曲云飞.蓝宝石晶体生长工艺及设备性能分析
于建国.泡生法蓝宝石单晶生长及缺陷研究
李鹏鹏.蓝宝石的高效固结磨料研磨研究
前瞻产业研究院.2018年蓝宝石行业应用市场现状与发展前景分析前瞻产业研究院.2018年全球蓝宝石行业市场结构和下游需求分析
（中国粉体网编辑整理/黑金）
注：图片非商业用途，存在侵权告知删除！
