中國粉體網訊 藍寶石是人類最早利用的幾種天然礦物寶石之一。在應用的最早期主要利用自然界存在的天然晶體，用于裝飾使用。自1890年法國科學家維納爾第一次采用火焰法制備了人造藍寶石晶體以來，藍寶石晶體的制備技術得到了長足的發(fā)展，人造藍寶石晶體質量不斷提高，而且藍寶石的應用領域也得以大大的拓寬。而5G時代也將開啟藍寶石新材料的新市場。
1.藍寶石晶體的基本性質
1.1藍寶石的晶體結構
藍寶石晶體的化學成分為氧化鋁(Al2O3)，是由兩個鋁原子和三個氧原子以共價鍵型式結合而成。氧的堆積方式有兩種：六方最密堆積和立方最密堆積兩種類型，鋁的配位方式也有兩種：6個氧的八面體中心位置和4個氧的四面體中心位置，以此組合，產生氧化鋁結構的多樣性。
藍寶石晶體結構
1.2藍寶石晶體的主要性能
藍寶石單晶化學穩(wěn)定性很高，常溫下耐酸、堿腐蝕性好，當溫度大于300℃時，才會被氫氟酸、熔融態(tài)氫氧化鉀等強酸、強堿輕微腐蝕。藍寶石單晶的硬度非常高，僅次于金剛石，莫氏硬度為9級。藍寶石單晶的光學透過性優(yōu)良，透光率高達95%，尤其是紅外透光性更是達到了85%的程度。藍寶石單晶的熔點為2050℃，可在1900℃的高溫下穩(wěn)定工作。另外，藍寶石晶體在導熱、電絕緣、耐磨蝕、機械加工等方面都有良好的表現。
藍寶石的物理性質
2.藍寶石的生長方法
2.1提拉法
提拉法是熔體中生長單晶的最重要的方法之一，它利用籽晶在銥坩堝的氧化鋁熔體中旋轉、提拉生長藍寶石單晶。
提拉法晶體生長裝置示意圖
優(yōu)點：(1)在晶體生長的過程中可以觀察晶體生長的情況，便于調整參數來控制晶體的形狀及長度；(2)可以大大降低位錯密度，使晶體完整性較高；(3)生長時晶體不與坩堝接觸，使得晶體生長時的應力減小。
缺點：(1)成本較高，不容易批量生產；(2)生長時籽晶在熔體內部旋轉易使晶體產生缺陷；(3)相比與泡生法所生長的晶體尺寸也較小。
2.2導模法
導模法起源于20世紀60年代，作為提拉法的一種延伸，即直接從熔體中生長出所需形狀的晶體毛坯，其坩堝和模具的材料均采用鉬。導模法一般用于生長特定形狀的晶體。
導模法晶體生長裝置及其模具裝置示意圖
優(yōu)點：(1)能生長出形狀復雜的晶體，且尺寸精度較高；(2)生長速度快，節(jié)約能源；(3)避免了后續(xù)加工過程，由于藍寶石硬度很高，加工難度大，所以很大程度的節(jié)約了加工成本。
缺點：(1)技術難度大，容易形成氣孔等缺陷，且不易改變；(2)模具材料有可能會在高溫下熔解進入坩堝內，造成熔體污染；(3)很難生長出大尺寸藍寶石。
2.3泡生法
泡生法是將一根受冷的籽晶與熔體接觸，當熔體的溫度低于凝固溫度時，晶體開始生長，可以利用降低熔體溫度并下放旋轉籽晶的方法來使晶體長大，其原理是改變熔體的溫度分布，另外也可以較緩慢的向上提起籽晶桿，從而擴大散熱面，來使晶體生長。泡生法是目前生長大直徑藍寶石單晶的有效且較成熟的方法，已制備出大尺寸的藍寶石單晶。
泡生法晶體生長裝置
優(yōu)點：(1)生長速度快；(2)能夠生長出大尺寸的晶體；(3)是在提拉法的基礎上發(fā)展起來的，所以具有提拉法的優(yōu)點；(4)晶體在整個生長過程中不被提出坩堝，所以可以精確的控溫，減小應力，降低位錯密度。
缺點：(1)對溫度控制部分要求嚴格，對控溫元器件損耗較大；(2)成本較高。
2.4 SAPMAC法
SAPMAC又稱冷心放肩微量提拉法,是在提拉法和泡生法的基礎上發(fā)展起來的，其過程大致可分為：真空條件下加熱原料、引晶、冷心放肩、等徑提拉、收尾和退火及冷卻階段。
SAPMAC法生長裝置
SAPMAC方法的優(yōu)點：(1)由于采取的是微提拉，所以對熔體內部及溫場的影響都很小，降低了應力及位錯密度；(2)加熱體是鳥籠形狀的，溫場均勻；(3)坩堝上下都有隔熱屏，溫場穩(wěn)定性高；(4)可以再降溫時進行原位退火，降低應力；（4）材料綜合利用率是傳統泡生法的1.2倍以上。
2.5熱交換法
熱交換法是生長大尺寸、高質量藍寶石最成熟的方法之一。生長過程完全依靠生長設備所產生的溫度梯度。籽晶置于坩堝底部，同時在坩堝底部通入氦氣以保持籽晶處于低溫區(qū)，待原料全部熔化后，加大氦氣的流量，使得低溫區(qū)域不斷上升，從而獲得晶體。
熱交換法生長裝置
優(yōu)點：(1)能較準確的控制溫度，能夠生產尺寸較大的藍寶石；(2)在生長過程中未經歷旋轉等過程，與提拉法相比，晶體的完整性和均勻性都很高；(3)可以通過調整坩堝的形狀來得到不同形狀的晶體。
缺點：(1)需要通入大量氦氣，成本較高；(2)不能生長C方向的晶體，對設備要求較高。
2.6導向溫梯法
導向溫梯法是一種與重力加速度方向相反的溫場和熔體相對系統靜止，即以定向籽晶誘導的熔體結晶的方法。
導向溫梯法生長裝置
優(yōu)點：(1)晶體生長過程中，設備內的溫度梯度方向與重力方向相反，同時晶體，坩堝等也不發(fā)生相對移動，減小了熱對流，從而降低了引起熔體內渦流的可能；(2)熔體生長時所產生的溫度和機械擾動會被外層包圍的熔體消除，從而降低影響；(3)晶體生長后，仍在熔體的包圍中，這樣便可以更精確的控制降溫冷卻過程，減少應力。
缺點：(1)加熱體為石墨，高溫情況下有一定揮發(fā)性，會將雜質元素帶入到晶體當中，所生長的晶體多為淡紅色；(2)溫場難以控制，很難長出大尺寸的晶體；(3)能量耗費大，生長周期較長；(4)坯料的后續(xù)處理工序比較繁瑣，不易批量化生產。
2.7焰熔法
1902年由法國人維爾納葉首次確立并發(fā)表，這種方法也是第一種用于工業(yè)化生產的方法，位于頂端的氧化鋁原料下落，通過氫氧焰的燃燒熔化，落在下方的籽晶上，逐漸生長成晶體。
優(yōu)點：(1)設備簡單，容易產業(yè)化；(2)成本較低，對于大量的對精度要求不高的儀器上的晶片來說，是比較好的生長方法。
缺點：(1)所生長出的晶體尺寸較��；(2)存在大量的鑲嵌結構，質量較差，不能用在高精度要求的設備上。
2.8坩堝下降法
坩堝下降法的籽晶位于坩堝底部，當原料完全熔化后，通過移動坩堝來使晶體生長。
優(yōu)點：(1)晶體完整型好，無鑲嵌結構等缺陷；(2)生長過程可以通過觀察口進行觀察，便于控制；(3)生長速度快，后續(xù)加工過程簡單，使得掏棒和滾磨兩道工序得到了一定程度的簡化。
缺點：(1)坩堝會帶來一定程度的污染；(2)如果熔體中有易揮發(fā)物，很難控制和解決。
3.藍寶石的應用
藍寶石是一種集優(yōu)良光學性能、物理性能和化學性能于一身的獨特晶體，是現代工業(yè)重要的基礎材料。其獨特的晶格結構、優(yōu)異的力學性能、良好的熱學性能使藍寶石晶體成為實際應用的半導體照明（LED）、大規(guī)模集成電路SOI和SOS及超導納米結構薄膜等理想的襯底材料。同時，藍寶石強度高、硬度大、耐沖刷，其作為屏幕材料被廣泛應用于智能設備、紅外軍事裝置、衛(wèi)星空間技術、高強度激光窗口等領域。
近三年來，LED襯底材料應用占藍寶石需求量的約80%以上，而非LED應用約占藍寶石需求量的20%。
2017年全球藍寶石材料市場結構（單位：%）
4. 5G時代下藍寶石的發(fā)展機遇
5G時代，也被稱為IoT萬物互聯時代。隨著5G通訊網絡及終端設備在全球范圍內加速建設，消費電子產業(yè)鏈迎來一個全新的賽道。智能穿戴也將成為5G時代的一個關鍵布局。
由于在透紅外光和抗劃傷等方面的突出優(yōu)勢，藍寶石可廣泛應用于消費電子領域，主要包括智能手機攝像頭的保護蓋板、指紋識別HOME鍵蓋板、智能手表屏幕蓋板以及未來可能推廣的智能手機屏幕蓋板等。隨著5G腳步的加速靠近，藍寶石也將迎來重大發(fā)展機遇。
根據IDTechEx的最新報告《2019-2029可穿戴技術預測》，2019年全球可穿戴技術產品市場的規(guī)模將超過500億美元。根據市場調查機構IDC公布的最新報告，2019年可穿戴設備市場全球出貨量有望突破2.229億臺，如果按照7.9%的復合年增長率來計算的話，在2023年全球可穿戴設備市場規(guī)模將增加至3.023億臺，智能手表出貨量預計將從2019年的9180萬臺增長到2023年的1.316億臺。其中，智能手表和耳戴式設備出貨量將占整體可穿戴出貨量的70%以上。
業(yè)內預計，到2021年，智能手機藍寶石蓋板的市場規(guī)模將由2016年的2.3億美元增長至139.8億美元，智能手表用藍寶石蓋板的市場規(guī)�？捎�2.4億美元增長至6.2億美元。而到2020年，全球藍寶石材料市場營收也將從2015年的70.5億人民幣增長到341.5億人民幣，年均復合增長速度達到37.1%。
小結
面對5G帶來的歷史性機遇，未來藍寶石在消費電子上的應用將從“小屏”逐漸延伸到“大屏”，即從現在的攝像頭、Home鍵等較小的面積，向手表表盤甚至手機屏幕等較大面積的應用逐步發(fā)展。藍寶石蓋板或將是未來行業(yè)的藍海。
參考資料：
范志剛等.藍寶石單晶的生長技術及應用研究進展
曲云飛.藍寶石晶體生長工藝及設備性能分析
于建國.泡生法藍寶石單晶生長及缺陷研究
李鵬鵬.藍寶石的高效固結磨料研磨研究
前瞻產業(yè)研究院.2018年藍寶石行業(yè)應用市場現狀與發(fā)展前景分析前瞻產業(yè)研究院.2018年全球藍寶石行業(yè)市場結構和下游需求分析
（中國粉體網編輯整理/黑金）
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