藍(lán)寶石晶體檢測(cè)

1、藍(lán)寶石晶體的檢測(cè)（一）摘要: 藍(lán)寶石晶體的檢測(cè) 藍(lán)寶石晶體：含有少量Fe2+和Ti4+的-A1203 (剛玉)晶體。 紅寶石晶體：含有少量Cr3+的-A1203 (剛玉)晶體。 黃寶石晶體：含有少量Ni4+的-A1203 (剛玉)晶體。 白寶石晶體：-A1203 (剛玉)晶體。 藍(lán)寶石晶體的檢測(cè)藍(lán)寶石晶體：含有少量Fe2+和Ti4+的-A1203 (剛玉)晶體。紅寶石晶體：含有少量Cr3+的-A1203 (剛玉)晶體。黃寶石晶體：含有少量Ni4+的-A1203 (剛玉)晶體。白寶石晶體：-A1203 (剛玉)晶體。藍(lán)寶石晶體化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定，一般不溶于水

2、和不受酸、堿腐蝕，只有在較高下(300)可為氫氟酸、磷酸和熔化的氫氧化鉀所侵蝕。藍(lán)寶石晶體硬度很高，為莫氏硬度 9 級(jí)，僅次于最硬的金剛石。它具有很好的透光性，熱傳導(dǎo)性和電氣絕緣性，力學(xué)機(jī)械性能好，并且具有耐磨和抗風(fēng)蝕的特點(diǎn)。藍(lán)寶石晶體的熔點(diǎn)為 2050，沸點(diǎn) 3500，最高工作溫度可達(dá) 1900。因此，藍(lán)寶石作為一種重要的技術(shù)晶體，已被廣泛地應(yīng)用于科學(xué)技術(shù)、國防與民用工業(yè)的許多領(lǐng)域。藍(lán)寶石晶體簡介藍(lán)色寶石是含有少量Fe2+和Ti4+的-A1203 (剛玉)晶體。藍(lán)寶石晶體是指含有微量雜質(zhì)晶體的剛玉，剛玉晶體具有優(yōu)良的光學(xué)、電學(xué)和機(jī)械

3、性能，其硬度僅次于鉆石。具有機(jī)械強(qiáng)度高、高溫化學(xué)穩(wěn)定、導(dǎo)熱性好、高絕緣性、小摩擦系數(shù)等特點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體器件、光電子器件、激光器、真空器件、精密機(jī)械等。特別是含Ti4+藍(lán)寶石，是最優(yōu)異的固體寬帶調(diào)諧激光材料，可制作超強(qiáng)的飛秒量級(jí)可調(diào)諧激光器。藍(lán)色寶石也是最為珍貴的寶石之一，深受人們喜愛，高質(zhì)量寶石晶體的合成工藝是人們研究的重要問題。藍(lán)寶石有多種合成方法，如鹽熔法、高溫法、熱液反應(yīng)法等。熱液法合成技術(shù)是重要的晶體合成方法之一，其合成的晶體純度高，結(jié)晶質(zhì)量好。為了降低合成的溫度和壓力，人們也在嘗試采用其他的熱液方法合成-A1203晶體，如1-4丁二醇法。但水熱法仍然是最有效率的合成高質(zhì)量-A1

4、203晶體的方法。20世紀(jì)90年代后期，人們采用水熱法合成了紅寶石和祖母綠寶石，質(zhì)量甚至優(yōu)于天然寶石。由于具有較大的商業(yè)價(jià)值；其技術(shù)處于嚴(yán)格的保密中。最近發(fā)表的有關(guān)合成剛玉寶石的文獻(xiàn)報(bào)道均未涉及具體的合成工藝。合成藍(lán)色剛玉寶石晶體，需要摻雜Fe和Ti兩種離子，而且要控制其摻雜的比例，合成的工藝比合成紅寶石(摻Cr)和黃寶石(Ni)復(fù)雜。熱液法需要較高的溫度和壓力，要求反應(yīng)釜在高溫時(shí)有足夠機(jī)械強(qiáng)度，如合成紅寶石和黃色藍(lán)寶石的溫度要超過500，150500MPa，對(duì)釜體強(qiáng)度的要求很高。盡量降低合成的溫度和壓力，是工業(yè)化熱液法合成技術(shù)研究的重要問題。熱液法藍(lán)寶石晶體生長采用微型超高壓反應(yīng)釜，釜內(nèi)腔高

5、為10.5cm，直徑為1.Ocm，容積8.2ml，內(nèi)裝銀內(nèi)襯。前驅(qū)物為市售的高純Al(OH)3粉體，添加的KOH、KBr、Fe2O3、FeSO4·7H2O、TiCl3均為分析純。按一定比例在高純水中加入所需的前驅(qū)物、礦化劑、添加劑，混勻屑放入釜體，密封放入高溫爐內(nèi)加熱，3h后升溫到430，保持恒溫24h，然后自然冷卻到室溫。用高純水清洗取出的粉體，洗成中性后烤干，分別進(jìn)行X射線衍射(JAPAN，RIGAKU，Dmax-2400)和掃描電鏡(中國，KYKY-1000B)測(cè)量(合成條件略)。藍(lán)寶石晶體生長方式：藍(lán)寶石晶體生長方式可劃分為溶液生長、熔體生長、氣相生長三種，其中熔體生長方式因

6、具有生長速率快，純度高和晶體完整性好等特點(diǎn)，而成為是制備大尺寸和特定形狀晶體的最常用的晶體生長方式。目前可用來以熔體生長方式人工生長藍(lán)寶石晶體的方法主要有熔焰法、提拉法、區(qū)熔法、坩堝移動(dòng)法、熱交換法、溫度梯度法和泡生法等。但是，上述方法都存在各自的缺點(diǎn)和局限性，較難滿足未來藍(lán)寶石晶體的大尺寸、高質(zhì)量、低成本發(fā)展需求。例如，熔焰法、提拉法、區(qū)熔法等方法生長的晶體質(zhì)量和尺寸都受到限制，難以滿足光學(xué)器件的高性能要求；熱交換法、溫度梯度法和泡生法等方法生長的藍(lán)寶石晶體尺寸大，質(zhì)量較好，但熱交換法需要大量氦氣作冷卻劑，溫度梯度法、泡生法生長的藍(lán)寶石晶體坯料需要進(jìn)行高溫退火處理，坯料的后續(xù)處理工藝比較復(fù)雜

7、、成本高。藍(lán)寶石晶體缺陷藍(lán)寶石晶體是一種各向異性的晶體材料，其化學(xué)、熱學(xué)、力學(xué)等性能都隨晶向、溫度的變化而變化，而這些性能變化必然導(dǎo)致晶體生長過程中溫場分布、應(yīng)力分布的復(fù)雜化。以及藍(lán)寶石晶體在 a、m、r、c 等不同晶向上的結(jié)晶習(xí)性、晶格結(jié)構(gòu)等都將對(duì)晶體的生長質(zhì)量具有重要影響。藍(lán)寶石晶體的缺陷包括晶體的常見缺陷，即所謂宏觀缺陷和晶體結(jié)構(gòu)上的缺陷如位、滑移、鑲嵌、塑性變形等，下面分別論述。1 藍(lán)寶石晶體的常見缺陷1.1 晶體的開裂藍(lán)寶石晶體的開裂，通常是在生長結(jié)束、關(guān)火或冷卻過程中發(fā)生的。炸裂情況如圖1-1 所示。(a)表明晶體生長正常，晶體開裂

8、面子整。開裂主要是關(guān)火時(shí)外來的突然因素造成的，如氧氣漏氣或強(qiáng)烈冷氣由觀察孔吹入。另外，由于晶體的熱應(yīng)力較大，在閉火時(shí)或冷卻過程中也會(huì)發(fā)生自行開裂。這種情況應(yīng)檢查晶體生長爐的保溫性能是否變壞，晶體直徑是否過大。(b)是縱向溫度梯度引起的應(yīng)力和局部應(yīng)力聯(lián)合作用的結(jié)果，開裂形狀如鋸齒。這里所說的局部應(yīng)力為結(jié)構(gòu)應(yīng)力，它作用在局部范圍，這類應(yīng)力始終存在，不隨晶體切割成小塊而減小。降低縱向溫度梯度，可以改善這種缺陷。降低縱向溫度梯度的方法，一般可采用加長爐膛或裝置后加熱器。(C)的開裂是徑向溫度梯度引起的應(yīng)力和局部應(yīng)力聯(lián)合作用的結(jié)果，應(yīng)改善爐體的保溫性能，晶體直徑盡可能處于熔體的平直等溫面上，穩(wěn)定生長條件

9、。(d)是縱向溫度梯度和徑向溫度梯度過大造成的，要降低這兩個(gè)溫度梯度。(e)的開裂形態(tài)沒有一定規(guī)律，原因比較復(fù)雜，除漏氣、內(nèi)應(yīng)力大外，應(yīng)考慮籽晶的好壞、晶體光軸取向等原因。因此，應(yīng)嚴(yán)格掌握接種擴(kuò)大工藝、檢查籽晶取向。此外，晶體開裂還與粉料本身有關(guān)。假如粉料中-A1203占3以上或合有過量的Ca、Mg等雜質(zhì)也會(huì)引起開裂。.2 斷裂這里所說的斷裂是指晶體用開片機(jī)分裂成兩個(gè)半片后或在儲(chǔ)存、運(yùn)輸過程中產(chǎn)生的。這種斷裂大都是橫向斷裂見圖1-2，主要原因是縱向溫度梯度過大。假如這種現(xiàn)象的出現(xiàn)概率很少，那么可能是一些偶然因素，如碰、撞等。若出現(xiàn)概率大時(shí)，就得對(duì)加熱器、結(jié)晶爐進(jìn)行檢查，必要時(shí)更換新的

10、。梨晶分成兩個(gè)半片后，其熱應(yīng)力(即溫度應(yīng)力或體積應(yīng)力)可消除90以上，但尚有一定的殘余應(yīng)力。因此，在入庫放置或運(yùn)輸過程中應(yīng)考慮適當(dāng)?shù)陌b和防震。有時(shí)晶體的光軸取向太大，易產(chǎn)生橫裂，這種橫裂大多沿光軸方向。當(dāng)光軸取向?yàn)?0°或接近90°時(shí)，此類橫裂更易發(fā)生。因此，除特殊需要外，晶體光軸取向控制在55°70°為宜。1.3 散射顆粒藍(lán)寶石晶體中存在的氣泡、不溶物，在光的照射下都會(huì)出現(xiàn)散射現(xiàn)象。一般來說，氣泡的散射作用強(qiáng)，看上去閃光發(fā)亮，不溶物較為暗淡。有時(shí)，用肉跟很難分辨出氣泡和不溶物(俗稱點(diǎn)子)，它們經(jīng)常交織在一起，統(tǒng)稱為散射顆粒。藍(lán)寶石晶體中散射

11、顆粒有圖1-3所示的幾種不同分布。圖1-3中散射顆粒七種不同分布的原因：(a)散射顆粒沿中心密集分布，原因是含K+過量，(焰熔法)噴嘴角度偏小，粉料和氧氣流太集中；(b)層狀密集散射顆粒，原因是(焰熔法)下粉不勻，生長速率不勻，氫氧波動(dòng)太大。嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)分層；(c)中心和邊緣均有散射顆粒，原因是晶體直徑過大，氧氣壓力太高，噴嘴出口直徑過小；(d)上端出現(xiàn)散射顆粒，原因是在生長過程中(焰熔法)下粉量逐漸增多；(e)散射顆粒呈降落傘形，原因是原料不純，有難熔雜質(zhì)或粉料受熱結(jié)團(tuán)；(f)零星散射顆粒，原因是粉料不純；(g)中心部分有長串泡，原因是爐溫過高，氧氣壓力過高，氫氧氣配比不當(dāng)，晶體直徑過大。在

12、藍(lán)寶石單晶生長的疵病中，散射顆粒的存在是相當(dāng)普遍的。經(jīng)過長期的經(jīng)驗(yàn)積累，人們認(rèn)識(shí)到主要是粉料中雜質(zhì)存在和晶體生長操作兩個(gè)方面的原因。粉料中含SiO2、S03及K2O都會(huì)形成氣泡。尤其是S03，它是造成氣泡的主要因素。經(jīng)測(cè)定表明，SO3不是以未分解的硫酸鋁銨存在，而是因-Al203粉料量多，顆粒細(xì)微，吸附面積大，在生產(chǎn)過程中極易吸附S03。當(dāng)焙燒爐的排氣管道不暢通，這種吸附現(xiàn)象更為嚴(yán)重。過去曾采用水洗的辦法來去除S03。但是，這種方法浪費(fèi)太大，工藝過程長，不宜用于大規(guī)模生產(chǎn)?，F(xiàn)今都是采用改進(jìn)焙燒爐及其排氣系統(tǒng)來去除S03。SiO2雜質(zhì)也能引起氣泡，而且使晶體渾濁。這種雜質(zhì)在鋁銨礬提純時(shí)容易去除它

13、之所以能混入粉料，主要是焙燒爐的耐火材料剝落。大多數(shù)耐火材料都是硅酸鹽類，采用無坩堝或小坩堝焙燒，爐膛底面上會(huì)存在大量粉料，粉料取出爐膛時(shí)，很有可能混雜SiO2的耐火材料微粒，所以應(yīng)采用高質(zhì)量的耐火材料如Zr02、高純氧化鋁，并采用大容量的石英坩堝?？偟膩碚f，散射顆粒形成原因包括以下幾方面：粉料混有雜質(zhì)，它們?cè)谌刍捌瘯r(shí)需要吸取熱量，該熱量大于相同體積的-Al203粉的溶解所需的熱量，則周圍溫度降低，使粉料不能全部深化，造成氧化鋁不溶物。雜質(zhì)汽化，被氧化鋁熔體包圍，結(jié)晶較快時(shí)，氣泡來不及排出，殘留在結(jié)晶固體內(nèi)。氣體混合不均，波動(dòng)較大時(shí)，特別是氧氣過量時(shí)，熔體中有可能形成氣體包裹體，轉(zhuǎn)入結(jié)晶后

14、出現(xiàn)氣泡。熔體轉(zhuǎn)成固體。體積縮小20左右，溫度過高，而且溫度起伏大，有可能在結(jié)晶體中造成空腔，形成氣泡。高熔點(diǎn)雜質(zhì)形成不熔物。粉料受熱結(jié)團(tuán)，空隙中吸附氣體，經(jīng)過（焰熔法）火焰高溫區(qū)，熔化不完全，即產(chǎn)生點(diǎn)子，又有氣泡。局部溫度升高，熔體本身處于沸騰狀態(tài)，結(jié)晶造成空腔，形成氣泡群。生產(chǎn)過程中具體問題應(yīng)具體分析。對(duì)于同一批粉料而言，如果所有燒結(jié)機(jī)制生長的晶體普遍存在散射顆粒，就應(yīng)該著重解決粉料問題，假如只是個(gè)別燒結(jié)要出現(xiàn)散射顆粒，那么大體是局部的偶然原因或生長操作問題。1.4 雜質(zhì)分布及色帶藍(lán)寶石晶體中的雜質(zhì)和著色劑，從性質(zhì)來看是相同的，都是在藍(lán)寶石晶體的基體中加入了雜質(zhì)。一般把雜質(zhì)定義為

15、原料中無法去除的本來就不需要的離子、分子或原子。而著色劑、加強(qiáng)劑則是人們有意識(shí)加入的，在晶體生長中把它們都作為雜質(zhì)統(tǒng)一處理。除了純材料之外，通常熔體和其中生長的晶體具有不同的成分，這表明在凝固過程中存在著組分分疑問題。純藍(lán)寶石單晶(無雜質(zhì)及著色劑)生長，其熔體和晶體的成分必然相同，對(duì)于紅色或其他顏色的藍(lán)寶石晶體，它們的熔體和晶體的組成不同，著色劑的分布也不均勻。有的是底部顏色深。頂部顏色淺；有的則是相反。顏色的徑向分布也同樣存在不均勻。最易用肉眼覺察到的是彩色晶體中的色帶。從焰熔法藍(lán)寶石晶體生長來看，有雜質(zhì)分凝的作用，也有雜質(zhì)揮發(fā)及雜質(zhì)遷移的影響。為討論的方便，將材料的主要組分稱為溶劑，將材料

16、中的雜質(zhì)、著色劑等統(tǒng)稱為溶質(zhì)。這樣可以用溶質(zhì)的濃度來描述凝固過程的分疑問題。對(duì)某種彩色藍(lán)寶石晶體，-Al203是溶劑，各種雜質(zhì)及著色劑是溶質(zhì)。定義K。為平衡分凝系數(shù)，它表示當(dāng)液-固兩相處于平衡時(shí)，固體中的溶質(zhì)濃度Cs與溶體中的溶質(zhì)濃度CL之比，即KO=CsCLKO取決于材料體系的特性，在通常的摻雜范圍內(nèi)KO可以看作常數(shù)，其數(shù)值可查得。KO <l時(shí)，固體排拒溶質(zhì)，即熔體中溶質(zhì)濃度高于晶體中的溶質(zhì)濃度。KO >1時(shí)，情況相反。對(duì)于晶體生長過程而言，總是偏離平衡態(tài)的，即生長速率并不十分緩慢，溶質(zhì)的混合也不是十分充分的。因此，人們提出了與生長過程密切相關(guān)的有效分凝系數(shù)K

17、e。Ke= KO / KO+(2- KO)exp(fc/D)式中，f為界面移動(dòng)速率(也可視為生長速率)；c是溶質(zhì)邊界層的厚度；D是溶質(zhì)在熔體中的擴(kuò)散系數(shù)。在熔體體積遠(yuǎn)比邊界層體積大的情況下Ke= KO以熔體生長的含鉻紅寶石為例來解釋晶體中Cr3+分布不均。由實(shí)驗(yàn)分析數(shù)據(jù)可得，紅寶石的Cr3+濃度上部低于根部(等徑生長開始部位)，中心低于邊緣。Gr2 03在紅寶石中作為溶質(zhì)即雜質(zhì)，其KO>1。因此在晶體生長過程中熔體排斥溶質(zhì)，晶體中的Cr3+含量高于熔體中的含量。最后導(dǎo)致晶體中Cr3+按上端低于下部方式分布。焰熔法是非保守體系的晶

18、體生長方法。相同成分的原料以間隙方式源源不斷地從料斗撤落供應(yīng)，故而雜質(zhì)在晶體中的軸向分布比其他生長技術(shù)均勻得多。焰熔法生長的熔融層(即熔體)總有一定的厚度，分凝作用還是有的，只是不十分明顯而已。分凝作用與揮發(fā)相比究竟哪個(gè)占主導(dǎo)地位，要視溶質(zhì)的蒸氣壓力大小而定。蒸氣壓力大，則易揮發(fā)。對(duì)于焰熔法來說，不管K。大于或小于1，晶體中雜質(zhì)分布總是上低下高，因?yàn)檠嫒鄯ńY(jié)晶爐膛的溫度通常是愈來愈高，揮發(fā)的影響古主要。焰熔紅寶石中含鉻量的徑向分布也不均勻，中心低，邊緣高，特別是晶體表面會(huì)出現(xiàn)一層含鉻量濃度極高的富鉻層，其原因用分凝作用及揮發(fā)作用都很難解釋。這種情況是徑向溫度梯度較大，雜質(zhì)在熔體中的遷移機(jī)構(gòu)為對(duì)

19、流的緣故紅寶石中及其他彩色寶石生長時(shí)由于下粉量突然增多，氧氣突然下降或生長速率突然加快，形成了一層比較深的顏色帶。與上述情況相反時(shí)，形成一層較淺的色帶。從晶體生長理論來說，產(chǎn)生這種色帶是由于形成了所謂的生長層(條紋)，生長層的形狀和界面的形狀完全一致。關(guān)于生長層形成機(jī)制，認(rèn)同的觀點(diǎn)是在非穩(wěn)態(tài)生長條件下，熔體的溫度會(huì)出現(xiàn)起伏，這種起伏使晶體的生長速率出現(xiàn)起伏。根據(jù)有效分凝系數(shù)的表達(dá)式可以看出，生長速率不同，有效分凝系數(shù)也不同，于是晶體中產(chǎn)生溶質(zhì)濃度的起伏?？梢姡碚撋系慕忉屌c紅寶石中色帶形成是一致的因此，只要很好地控制各種工藝參量，如下粉量、氫氧比例、下降速率、生長位置等，使它們保持恒定，就可以

20、避免產(chǎn)生色帶。  藍(lán)寶石晶體的檢測(cè)（二）摘要: 2 藍(lán)寶石晶體的結(jié)構(gòu)缺陷 實(shí)際上，所有天然的和人工合成的晶體都不是理想的完整晶體。晶體在生長過程中，不可避免地受到不同程度的外界復(fù)雜因素的影響。因此，晶體不可能按理想的方式發(fā)育。在實(shí)際晶體的內(nèi)部構(gòu)造中， .2 藍(lán)寶石晶體的結(jié)構(gòu)缺陷實(shí)際上，所有天然的和人工合成的晶體都不是理想的完整晶體。晶體在生長過程中，不可避免地受到不同程度的外界復(fù)雜因素的影響。因此，晶體不可能按理想的方式發(fā)育。在實(shí)際晶體的內(nèi)部構(gòu)造中，質(zhì)點(diǎn)的排列并不嚴(yán)格地服從空間格子規(guī)律，而是存在各種缺陷，諸如空位、雙晶、滑移、位錯(cuò)等。晶體中的缺陷存在會(huì)嚴(yán)重影響晶體

21、的性質(zhì)，有些是決定性的，甚至有時(shí)可以把晶體本身看成是缺陷的基質(zhì)。例如，半導(dǎo)體的導(dǎo)電性質(zhì)幾乎完全是由外來的雜質(zhì)原子和缺陷所決定的。藍(lán)寶石、氯化鉀、氟化鋰等晶體中摻雜形成的缺陷決定了它成為激光工作物質(zhì)。多種金屬離子摻人晶體決定其成為具有各種色彩的裝飾寶石。當(dāng)然，由于缺陷存在，也導(dǎo)致晶體結(jié)構(gòu)的完整受到破壞，影響成為有用的晶體材料。晶體結(jié)構(gòu)上的缺陷一般分為點(diǎn)缺陷、線缺陷、面缺陷和體缺陷四種。(1)點(diǎn)缺陷理想晶體中的一些原子、離子被外來原子、離子所代替，或者在品格間隙中摻人原子、離子，或者留有原子、離子空位。所有這些都破壞了有規(guī)律的周期性排列，引起質(zhì)點(diǎn)間勢(shì)場的畸變，造成晶體結(jié)構(gòu)的不完整。但這種不完整僅僅

22、局限在原于或者離子位置，稱為點(diǎn)缺陷。點(diǎn)缺陷又可分為三類：晶體缺陷，如空位和間隙原子；組成缺陷，即雜質(zhì)原子；電子缺陷。晶體缺陷 當(dāng)晶體的溫度高于熱力學(xué)零度時(shí)，原子吸收熱能而運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)形式是圍一個(gè)平衡位置的振動(dòng)(平衡位置與理想晶體的位置相當(dāng))。溫度越高，平均熱能越大，振動(dòng)的幅度也越大。由于熱起伏，當(dāng)某些原子的能量足夠大時(shí)，甚至可以脫離開它的平衡位置，在原來的位置上形成一個(gè)空位，造成缺陷，如圖2-1所示這種形式的缺陷稱為熱缺陷。它可以分成弗倫克爾缺陷和肖特基缺陷兩種。在晶體中幾種缺陷可以同時(shí)存在，但通常必有一種是主要的。一般來說，正負(fù)離子半徑差不大時(shí)，肖特基缺陷是主要的。兩種離子半徑相差很

23、大時(shí)，弗倫克爾是主要的。在藍(lán)寶晶體Al3+和02-的半徑相差較大，因此弗倫克爾缺陷為主要。組成缺陷 雜質(zhì)原子或叫摻雜原子，其量一般少于0.1%。它們進(jìn)入晶體后，因與固有原子的性質(zhì)不同，不僅破壞了原子有規(guī)則的排列，而且使雜質(zhì)離子周圍的周期勢(shì)場引起改變，形成缺陷。雜質(zhì)原子可分間隙型及置換型兩種。前者是雜質(zhì)原子跑到固有原子點(diǎn)陣間隙中，后者是雜質(zhì)原子代替了固有原子，如圖2-2所示。電子缺陷 這種缺陷主要存在于半導(dǎo)體材料。點(diǎn)缺陷在實(shí)踐中具有重要意義。在硅酸鹽工藝中，有大量的燒成、燒結(jié)和固相反應(yīng)過程。這些過程和原子在晶體內(nèi)或表面上的運(yùn)動(dòng)有關(guān)。因此，熱缺陷能加速這些過程。由于熱陷的存在，

24、使某些晶體變成有顏色。間隙離子能阻止格面相互的滑移，使晶體的強(qiáng)度增加，如藍(lán)寶石晶體中加有少量的鈦的目的就是在于此。(2)線缺陷(位錯(cuò))實(shí)際晶體在結(jié)晶時(shí)，受到雜質(zhì)、溫度變化或振動(dòng)產(chǎn)生的應(yīng)力作用，或者由于晶體受到打擊、切削、研磨等，械應(yīng)力的作用，使晶體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)排列變形，原子行列相互滑移，而不再符合理想晶體的有秩序的排列，形成線狀缺陷，稱位錯(cuò)。圖2-3表示晶面上局部發(fā)生滑移的情況。晶體受壓縮作用后使ABEFGH滑移了一個(gè)原子間距，質(zhì)點(diǎn)滑移面和未滑移面的交界是一條線EF, 稱位錯(cuò)線。在這條線上的原子配位和其他原子不同，因此它是一種缺陷。它的特性是滑移方向和位錯(cuò)線EF垂直，一般稱棱位錯(cuò)或刃位錯(cuò)

25、，用垂直符號(hào)代表，垂線指向額外平面。對(duì)于離子晶體位錯(cuò)比較復(fù)雜。另一種位錯(cuò)(圖820)是由于剪應(yīng)力的作用使晶面相互滑移，也可看成是局部滑移C的邊界，其特點(diǎn)是位錯(cuò)線和滑移方向是相互平行的，如圖中位錯(cuò)線AD和滑移方向是平行的。由于和位錯(cuò)線AD垂直的面不是水平的，而是像螺旋形，故而稱螺旋位錯(cuò)，用符號(hào)帶箭頭中心一實(shí)心點(diǎn)表示。由于位錯(cuò)線附近的原子的排列是缺乏規(guī)則的，在位錯(cuò)的周圍產(chǎn)生應(yīng)力場和應(yīng)變能。位錯(cuò)周圍存在應(yīng)變有利于雜質(zhì)離子(或原子)聚集在位錯(cuò)線附近。位錯(cuò)可以在垂直滑移面方向運(yùn)動(dòng)，稱為爬移運(yùn)動(dòng)。在實(shí)際晶體生長時(shí)，可利用它來消滅位錯(cuò)，位錯(cuò)吸附擴(kuò)散來的空穴和間隙原子，一面交換位置，一面移到表面來。位錯(cuò)相互之

26、間還會(huì)起作用。多個(gè)異向的位錯(cuò)的相互作用，由于作用力是吸引力，最后導(dǎo)致位錯(cuò)消滅，變成完整晶體。利用位錯(cuò)可以說明許多現(xiàn)象和晶體的許多性質(zhì)如塑性變形晶體生長快的原因之一，就是晶體中有螺旋位錯(cuò)的存在。晶體位錯(cuò)的研究方法，通常用光學(xué)顯微鏡、X射線衍射、電子衍射和電子顯微鏡等技術(shù)進(jìn)行直接觀察或間接測(cè)定。例如，衡量單品質(zhì)量好壞的位錯(cuò)密度(指單位體積內(nèi)全部位錯(cuò)線的總長)通常用簡便的方法來測(cè)定。設(shè)一個(gè)長度為L，截面為A的單晶，其中有N條位錯(cuò)線。如果每條位錯(cuò)線長和L相當(dāng)，則位錯(cuò)密度等于n1Al=nA，這就是說，位錯(cuò)密度可以用單位截面上的錯(cuò)露頭的數(shù)目表示。因此，用光學(xué)顯微鏡觀察晶體位錯(cuò)的腐蝕坑數(shù)目，再除以視場面積后

27、，就可以求出位錯(cuò)密度。焰熔法生長的藍(lán)寶石晶體的位錯(cuò)密度大，一般在107108cm-2，引上法生長在l04105 cm-2。用氣相、區(qū)熔、熔劑、水熱等方法生長時(shí)，位錯(cuò)密度l03 cm-2。溫梯法生長時(shí)位錯(cuò)密度在102104cm-2。 藍(lán)寶石晶體的位錯(cuò)觀察，可先將樣品進(jìn)行機(jī)械拋光。然后在420下用磷酸進(jìn)行化學(xué)拋光，消除機(jī)械加工痕跡。最后在320磷酸或KOH溶液中腐蝕5min左右。腐蝕坑形狀如圖2-5(a)、(b)所示。圖中腐蝕坑就是錯(cuò)位露頭，蝕坑數(shù)除以視場面積，就得位錯(cuò)密度。(3)面缺陷(鑲嵌)實(shí)際晶體往往不是理想的單晶體，而是由許多結(jié)合得并不十分嚴(yán)密的微小品粒構(gòu)成的

28、聚集體。這些晶粒邊長約1nm，粒和粒之間不是公共面，而公共棱，互相間僅是以數(shù)秒到0.5°的微小角度傾斜著?？梢哉J(rèn)為，各晶?；ハ嗳∠蚧旧鲜瞧叫械?，如此的晶體構(gòu)造稱“鑲嵌構(gòu)造”。形成原因是單晶在生長過程中受應(yīng)力或表面張力作用。很明顯，這樣的構(gòu)造也是一種缺陷。它和線缺陷不同，可以看成由許多同向位錯(cuò)線構(gòu)成一個(gè)單面，稱“鑲嵌界面缺陷”或稱“小角度晶界”。這種缺陷導(dǎo)致鑲嵌塊之間有微小角度之差。還有一種面缺陷是結(jié)晶過程開始時(shí)形成許多晶核，當(dāng)進(jìn)一步長大時(shí)，形成相互交錯(cuò)接觸，成為多晶體。其中各小晶體的晶面取向互不相同。這種界面缺陷稱“大角度晶界”。界面處晶面的交角不像鑲嵌缺陷那樣小，D值減小，好似位

29、錯(cuò)靠得很近，以致達(dá)到原子數(shù)量級(jí)。由此認(rèn)為界面處原子(或離子)排列是帶有無定形的。在生長單晶時(shí)，經(jīng)常由于溫度梯度的存在以及溫度控制不當(dāng)，造成了熱應(yīng)力，而熱應(yīng)力的大小直接影響位錯(cuò)密度的大小。位錯(cuò)密度可由下式表示此式表明，溫度梯度愈大，位錯(cuò)密度愈大。是膨脹系數(shù)，b是柏格矢量的稱量，即品格晶距。鑲嵌界面缺陷由一系列同向位錯(cuò)構(gòu)成。當(dāng)單晶受力彎曲時(shí)，造成塑性變形，晶體內(nèi)各層也產(chǎn)生一系列同向位錯(cuò)。極小的彎曲會(huì)造成大量位錯(cuò)的產(chǎn)生。彎曲造成的位錯(cuò)密度由下式?jīng)Q定式中，R為晶體彎曲的曲率半徑。藍(lán)寶石晶體的檢測(cè)（三）摘要: 3 藍(lán)寶石晶體的質(zhì)量檢驗(yàn)晶體質(zhì)量的檢測(cè)內(nèi)容應(yīng)包括宏觀缺陷及微觀缺陷。本節(jié)所討論的質(zhì)量檢測(cè)是指工

30、業(yè)生產(chǎn)中的常規(guī)檢測(cè)，僅包括宏觀缺陷，如炸裂、橫斷、云層、氣泡、不熔物等。晶體直徑大小及長短尺寸本來不屬于質(zhì)量 .3 藍(lán)寶石晶體的質(zhì)量檢驗(yàn)晶體質(zhì)量的檢測(cè)內(nèi)容應(yīng)包括宏觀缺陷及微觀缺陷。本節(jié)所討論的質(zhì)量檢測(cè)是指工業(yè)生產(chǎn)中的常規(guī)檢測(cè)，僅包括宏觀缺陷，如炸裂、橫斷、云層、氣泡、不熔物等。晶體直徑大小及長短尺寸本來不屬于質(zhì)量問題，而僅是一種規(guī)定。但這種具體尺寸規(guī)定本身考慮到了晶體的生長速率因素。3.1 晶體的剖開焰熔法生長的藍(lán)寶石晶體生長時(shí)有較大的軸向和徑向溫度梯度，具有極大的熱應(yīng)力(體積應(yīng)力或熱應(yīng)力)，一般為78459807MPa。該應(yīng)力大部分集中在光軸與生長軸所組成的平臺(tái)上。如一個(gè)

31、直徑為20mm，長度為40mm的藍(lán)寶石晶體，生長軸與光軸組成的平面面積約為800mm。，其熱應(yīng)力可達(dá)62767045kN。由于有如此大的熱應(yīng)力存在，晶體不剖開很難直接進(jìn)行加工。采用高溫退火的方法可以消除這種熱應(yīng)力。但是，對(duì)于藍(lán)寶石軸承加工來說是很不經(jīng)濟(jì)的。因此，通常是采用將晶體剖成兩片的方法給以消除。藍(lán)寶石晶體的熱應(yīng)力大部分集中在生長牠與光軸組成的平面上，一旦晶體受到外力作用如敲擊、碰撞，就會(huì)自動(dòng)沿該平面開裂成兩個(gè)半片。假如整個(gè)體積應(yīng)力對(duì)開裂面是對(duì)稱分布的，則開裂面子整，否則開裂面就會(huì)出現(xiàn)不平。早期，人們用錘子敲擊晶體根部或頭部，使晶體分成兩片。但此方法常使開裂不平整，特別是頭部常會(huì)嚴(yán)重扭曲。

32、如今采用的是金剛石刀片切人頭部稍許的辦法使晶體分裂成兩片，切割方向應(yīng)沿著晶體頂端面上的一系列平行條紋的方向。晶體頂端的一系列平行條紋可以通過晶體頂端的壓印覆膜圖觀察到。它們是由一連串小三角形排列而成，如圖3-1所示。這些用肉眼能方便看到的平行條紋平行于光軸與生長軸組成的平面(即開裂面)。剖開的平面要求平穩(wěn)，但不要求光滑如鏡面，或者有一定的粗糙度。加工實(shí)踐證明，開裂面是(1120)或(1010)時(shí)，晶體加工的成品率較高。在選取切割籽晶用的半梨晶時(shí)，應(yīng)選擇上面所說的兩種類型的開裂面。3.2 質(zhì)量檢驗(yàn)的項(xiàng)目開裂面檢測(cè) 優(yōu)質(zhì)品的開裂面通常是平整面或粗糙面，如發(fā)現(xiàn)圖823中的幾種剖面

33、，就作為不合格或較次等級(jí)品。散射顆粒 散射顆粒包括氣泡、(不熔物)點(diǎn)子等。對(duì)于工業(yè)用藍(lán)寶石晶體，微小分散的散射顆粒允許有一定數(shù)量，一些較為集中分布的散射顆粒團(tuán)也允許少量存在。云層、色帶 云層是指有較大徑向分布的不熔物、氣泡群，一般是薄層，切割加工時(shí)可整片切除，因此允許少量存在。對(duì)于工業(yè)用紅寶石色帶一般不做要求，對(duì)于激光棒按等級(jí)可有不同的要求。外形尺寸 白色藍(lán)寶石晶體生長速率一般在1315mmh，紅色一般在10mmh，晶體的長度(自擴(kuò)大結(jié)束起)就按上述生長速率給以適當(dāng)?shù)囊?guī)定。此外，整個(gè)等徑部分允許的擴(kuò)縮常規(guī)定在士lmm。麻砂覆蓋層 晶體最外部形成絨毛狀的薄

34、層，俗稱麻砂層，它是晶體質(zhì)量好壞的一種外觀反映通常要求麻砂層的覆蓋面積達(dá)80以上。有的晶體外表光滑透明，俗稱“玻璃瓶”，是生長不良的表現(xiàn)。3.3 檢測(cè)工具工業(yè)用藍(lán)寶石晶體的檢測(cè)工具很簡單，直徑測(cè)量用游標(biāo)卡尺。為了提高工效，長度測(cè)量，可制一專用量具，如圖824所示圖824中孔的直徑為藍(lán)寶石晶體按檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最小起始直徑。散射顆粒、云層、色帶均應(yīng)使用專用燈具(圖3-3 3-4)用肉眼觀察。光源采用白熾燈，功率一般為1OOW。 3.4 特種藍(lán)寶石晶體的檢測(cè)藍(lán)寶石晶體生產(chǎn)中，特種產(chǎn)品主要是大直徑白色藍(lán)寶石晶體和激光紅寶石棒。它們有一個(gè)共同特點(diǎn)，要求有極良好的透光性能它們不允許分成兩片后加工，因此只能進(jìn)行整體檢驗(yàn)。所以，單用燈光與肉眼不可能觀察到散射顆粒等缺陷，需要建立一套專用檢測(cè)裝置，如圖3-5所示。圖3-5中光源為氦-氖激光器，經(jīng)擴(kuò)束(光束直徑應(yīng)比待測(cè)，樣品直徑稍大)垂直照射至玻璃液槽(槽內(nèi)充滿二碘甲烷)，人眼從側(cè)面方向進(jìn)行觀察在將晶體放人槽前，應(yīng)用鐵砂布將外部麻砂層磨去。藍(lán)寶石晶體的檢測(cè)（四）摘要: 紅寶石晶體簡介 19