中國(guó)粉體網(wǎng)訊  藍(lán)寶石是人類最早利用的幾種天然礦物寶石之一。在應(yīng)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(guó)科學(xué)家維納爾第一次采用火焰法制備了人造藍(lán)寶石晶體以來(lái)，藍(lán)寶石晶體的制備技術(shù)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，人造藍(lán)寶石晶體質(zhì)量不斷提高，而且藍(lán)寶石的應(yīng)用領(lǐng)域也得以大大的拓寬。而5G時(shí)代也將開(kāi)啟藍(lán)寶石新材料的新市場(chǎng)。

1.藍(lán)寶石晶體的基本性質(zhì)

1.1藍(lán)寶石的晶體結(jié)構(gòu)

藍(lán)寶石晶體的化學(xué)成分為氧化鋁(Al2O3)，是由兩個(gè)鋁原子和三個(gè)氧原子以共價(jià)鍵型式結(jié)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(gè)氧的八面體中心位置和4個(gè)氧的四面體中心位置，以此組合，產(chǎn)生氧化鋁結(jié)構(gòu)的多樣性。

藍(lán)寶石晶體結(jié)構(gòu)

1.2藍(lán)寶石晶體的主要性能

藍(lán)寶石單晶化學(xué)穩(wěn)定性很高，常溫下耐酸、堿腐蝕性好，當(dāng)溫度大于300℃時(shí)，才會(huì)被氫氟酸、熔融態(tài)氫氧化鉀等強(qiáng)酸、強(qiáng)堿輕微腐蝕。藍(lán)寶石單晶的硬度非常高，僅次于金剛石，莫氏硬度為9級(jí)。藍(lán)寶石單晶的光學(xué)透過(guò)性優(yōu)良，透光率高達(dá)95%，尤其是紅外透光性更是達(dá)到了85%的程度。藍(lán)寶石單晶的熔點(diǎn)為2050℃，可在1900℃的高溫下穩(wěn)定工作。另外，藍(lán)寶石晶體在導(dǎo)熱、電絕緣、耐磨蝕、機(jī)械加工等方面都有良好的表現(xiàn)。

藍(lán)寶石的物理性質(zhì)

2.藍(lán)寶石的生長(zhǎng)方法

2.1提拉法

提拉法是熔體中生長(zhǎng)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(zhuǎn)、提拉生長(zhǎng)藍(lán)寶石單晶。

提拉法晶體生長(zhǎng)裝置示意圖

優(yōu)點(diǎn)：(1)在晶體生長(zhǎng)的過(guò)程中可以觀察晶體生長(zhǎng)的情況，便于調(diào)整參數(shù)來(lái)控制晶體的形狀及長(zhǎng)度；(2)可以大大降低位錯(cuò)密度，使晶體完整性較高；(3)生長(zhǎng)時(shí)晶體不與坩堝接觸，使得晶體生長(zhǎng)時(shí)的應(yīng)力減小。

缺點(diǎn)：(1)成本較高，不容易批量生產(chǎn)；(2)生長(zhǎng)時(shí)籽晶在熔體內(nèi)部旋轉(zhuǎn)易使晶體產(chǎn)生缺陷；(3)相比與泡生法所生長(zhǎng)的晶體尺寸也較小。

2.2導(dǎo)模法

導(dǎo)模法起源于20世紀(jì)60年代，作為提拉法的一種延伸，即直接從熔體中生長(zhǎng)出所需形狀的晶體毛坯，其坩堝和模具的材料均采用鉬。導(dǎo)模法一般用于生長(zhǎng)特定形狀的晶體。

導(dǎo)模法晶體生長(zhǎng)裝置及其模具裝置示意圖

優(yōu)點(diǎn)：(1)能生長(zhǎng)出形狀復(fù)雜的晶體，且尺寸精度較高；(2)生長(zhǎng)速度快，節(jié)約能源；(3)避免了后續(xù)加工過(guò)程，由于藍(lán)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(diǎn)：(1)技術(shù)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(huì)在高溫下熔解進(jìn)入坩堝內(nèi)，造成熔體污染；(3)很難生長(zhǎng)出大尺寸藍(lán)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(dāng)熔體的溫度低于凝固溫度時(shí)，晶體開(kāi)始生長(zhǎng)，可以利用降低熔體溫度并下放旋轉(zhuǎn)籽晶的方法來(lái)使晶體長(zhǎng)大，其原理是改變?nèi)垠w的溫度分布，另外也可以較緩慢的向上提起籽晶桿，從而擴(kuò)大散熱面，來(lái)使晶體生長(zhǎng)。泡生法是目前生長(zhǎng)大直徑藍(lán)寶石單晶的有效且較成熟的方法，已制備出大尺寸的藍(lán)寶石單晶。

泡生法晶體生長(zhǎng)裝置

優(yōu)點(diǎn)：(1)生長(zhǎng)速度快；(2)能夠生長(zhǎng)出大尺寸的晶體；(3)是在提拉法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，所以具有提拉法的優(yōu)點(diǎn)；(4)晶體在整個(gè)生長(zhǎng)過(guò)程中不被提出坩堝，所以可以精確的控溫，減小應(yīng)力，降低位錯(cuò)密度。

缺點(diǎn)：(1)對(duì)溫度控制部分要求嚴(yán)格，對(duì)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(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，其過(guò)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(zhǎng)裝置

SAPMAC方法的優(yōu)點(diǎn)：(1)由于采取的是微提拉，所以對(duì)熔體內(nèi)部及溫場(chǎng)的影響都很小，降低了應(yīng)力及位錯(cuò)密度；(2)加熱體是鳥(niǎo)籠形狀的，溫場(chǎng)均勻；(3)坩堝上下都有隔熱屏，溫場(chǎng)穩(wěn)定性高；(4)可以再降溫時(shí)進(jìn)行原位退火，降低應(yīng)力；（4）材料綜合利用率是傳統(tǒng)泡生法的1.2倍以上。

2.5熱交換法

熱交換法是生長(zhǎng)大尺寸、高質(zhì)量藍(lán)寶石最成熟的方法之一。生長(zhǎng)過(guò)程完全依靠生長(zhǎng)設(shè)備所產(chǎn)生的溫度梯度。籽晶置于坩堝底部，同時(shí)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(zhǎng)裝置

優(yōu)點(diǎn)：(1)能較準(zhǔn)確的控制溫度，能夠生產(chǎn)尺寸較大的藍(lán)寶石；(2)在生長(zhǎng)過(guò)程中未經(jīng)歷旋轉(zhuǎn)等過(guò)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(guò)調(diào)整坩堝的形狀來(lái)得到不同形狀的晶體。

缺點(diǎn)：(1)需要通入大量氦氣，成本較高；(2)不能生長(zhǎng)C方向的晶體，對(duì)設(shè)備要求較高。

2.6導(dǎo)向溫梯法

導(dǎo)向溫梯法是一種與重力加速度方向相反的溫場(chǎng)和熔體相對(duì)系統(tǒng)靜止，即以定向籽晶誘導(dǎo)的熔體結(jié)晶的方法。

導(dǎo)向溫梯法生長(zhǎng)裝置

優(yōu)點(diǎn)：(1)晶體生長(zhǎng)過(guò)程中，設(shè)備內(nèi)的溫度梯度方向與重力方向相反，同時(shí)晶體，坩堝等也不發(fā)生相對(duì)移動(dòng)，減小了熱對(duì)流，從而降低了引起熔體內(nèi)渦流的可能；(2)熔體生長(zhǎng)時(shí)所產(chǎn)生的溫度和機(jī)械擾動(dòng)會(huì)被外層包圍的熔體消除，從而降低影響；(3)晶體生長(zhǎng)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(guò)程，減少應(yīng)力。

缺點(diǎn)：(1)加熱體為石墨，高溫情況下有一定揮發(fā)性，會(huì)將雜質(zhì)元素帶入到晶體當(dāng)中，所生長(zhǎng)的晶體多為淡紅色；(2)溫場(chǎng)難以控制，很難長(zhǎng)出大尺寸的晶體；(3)能量耗費(fèi)大，生長(zhǎng)周期較長(zhǎng)；(4)坯料的后續(xù)處理工序比較繁瑣，不易批量化生產(chǎn)。

2.7焰熔法

1902年由法國(guó)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(chǎn)的方法，位于頂端的氧化鋁原料下落，通過(guò)氫氧焰的燃燒熔化，落在下方的籽晶上，逐漸生長(zhǎng)成晶體。

優(yōu)點(diǎn)：(1)設(shè)備簡(jiǎn)單，容易產(chǎn)業(yè)化；(2)成本較低，對(duì)于大量的對(duì)精度要求不高的儀器上的晶片來(lái)說(shuō)，是比較好的生長(zhǎng)方法。

缺點(diǎn)：(1)所生長(zhǎng)出的晶體尺寸較��；(2)存在大量的鑲嵌結(jié)構(gòu)，質(zhì)量較差，不能用在高精度要求的設(shè)備上。

2.8坩堝下降法

坩堝下降法的籽晶位于坩堝底部，當(dāng)原料完全熔化后，通過(guò)移動(dòng)坩堝來(lái)使晶體生長(zhǎng)。

優(yōu)點(diǎn)：(1)晶體完整型好，無(wú)鑲嵌結(jié)構(gòu)等缺陷；(2)生長(zhǎng)過(guò)程可以通過(guò)觀察口進(jìn)行觀察，便于控制；(3)生長(zhǎng)速度快，后續(xù)加工過(guò)程簡(jiǎn)單，使得掏棒和滾磨兩道工序得到了一定程度的簡(jiǎn)化。

缺點(diǎn)：(1)坩堝會(huì)帶來(lái)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(lán)寶石的應(yīng)用

藍(lán)寶石是一種集優(yōu)良光學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能于一身的獨(dú)特晶體，是現(xiàn)代工業(yè)重要的基礎(chǔ)材料。其獨(dú)特的晶格結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的力學(xué)性能、良好的熱學(xué)性能使藍(lán)寶石晶體成為實(shí)際應(yīng)用的半導(dǎo)體照明（LED）、大規(guī)模集成電路SOI和SOS及超導(dǎo)納米結(jié)構(gòu)薄膜等理想的襯底材料。同時(shí)，藍(lán)寶石強(qiáng)度高、硬度大、耐沖刷，其作為屏幕材料被廣泛應(yīng)用于智能設(shè)備、紅外軍事裝置、衛(wèi)星空間技術(shù)、高強(qiáng)度激光窗口等領(lǐng)域。

近三年來(lái)，LED襯底材料應(yīng)用占藍(lán)寶石需求量的約80%以上，而非LED應(yīng)用約占藍(lán)寶石需求量的20%。

2017年全球藍(lán)寶石材料市場(chǎng)結(jié)構(gòu)（單位：%）

4. 5G時(shí)代下藍(lán)寶石的發(fā)展機(jī)遇

5G時(shí)代，也被稱為IoT萬(wàn)物互聯(lián)時(shí)代。隨著5G通訊網(wǎng)絡(luò)及終端設(shè)備在全球范圍內(nèi)加速建設(shè)，消費(fèi)電子產(chǎn)業(yè)鏈迎來(lái)一個(gè)全新的賽道。智能穿戴也將成為5G時(shí)代的一個(gè)關(guān)鍵布局。

由于在透紅外光和抗劃傷等方面的突出優(yōu)勢(shì)，藍(lán)寶石可廣泛應(yīng)用于消費(fèi)電子領(lǐng)域，主要包括智能手機(jī)攝像頭的保護(hù)蓋板、指紋識(shí)別HOME鍵蓋板、智能手表屏幕蓋板以及未來(lái)可能推廣的智能手機(jī)屏幕蓋板等。隨著5G腳步的加速靠近，藍(lán)寶石也將迎來(lái)重大發(fā)展機(jī)遇。

根據(jù)IDTechEx的最新報(bào)告《2019-2029可穿戴技術(shù)預(yù)測(cè)》，2019年全球可穿戴技術(shù)產(chǎn)品市場(chǎng)的規(guī)模將超過(guò)500億美元。根據(jù)市場(chǎng)調(diào)查機(jī)構(gòu)IDC公布的最新報(bào)告，2019年可穿戴設(shè)備市場(chǎng)全球出貨量有望突破2.229億臺(tái)，如果按照7.9%的復(fù)合年增長(zhǎng)率來(lái)計(jì)算的話，在2023年全球可穿戴設(shè)備市場(chǎng)規(guī)模將增加至3.023億臺(tái)，智能手表出貨量預(yù)計(jì)將從2019年的9180萬(wàn)臺(tái)增長(zhǎng)到2023年的1.316億臺(tái)。其中，智能手表和耳戴式設(shè)備出貨量將占整體可穿戴出貨量的70%以上。

業(yè)內(nèi)預(yù)計(jì)，到2021年，智能手機(jī)藍(lán)寶石蓋板的市場(chǎng)規(guī)模將由2016年的2.3億美元增長(zhǎng)至139.8億美元，智能手表用藍(lán)寶石蓋板的市場(chǎng)規(guī)模可由2.4億美元增長(zhǎng)至6.2億美元。而到2020年，全球藍(lán)寶石材料市場(chǎng)營(yíng)收也將從2015年的70.5億人民幣增長(zhǎng)到341.5億人民幣，年均復(fù)合增長(zhǎng)速度達(dá)到37.1%。

小結(jié)

面對(duì)5G帶來(lái)的歷史性機(jī)遇，未來(lái)藍(lán)寶石在消費(fèi)電子上的應(yīng)用將從“小屏”逐漸延伸到“大屏”，即從現(xiàn)在的攝像頭、Home鍵等較小的面積，向手表表盤(pán)甚至手機(jī)屏幕等較大面積的應(yīng)用逐步發(fā)展。藍(lán)寶石蓋板或?qū)⑹俏磥?lái)行業(yè)的藍(lán)海。

參考資料：

范志剛等.藍(lán)寶石單晶的生長(zhǎng)技術(shù)及應(yīng)用研究進(jìn)展

曲云飛.藍(lán)寶石晶體生長(zhǎng)工藝及設(shè)備性能分析

于建國(guó).泡生法藍(lán)寶石單晶生長(zhǎng)及缺陷研究

李鵬鵬.藍(lán)寶石的高效固結(jié)磨料研磨研究

前瞻產(chǎn)業(yè)研究院.2018年藍(lán)寶石行業(yè)應(yīng)用市場(chǎng)現(xiàn)狀與發(fā)展前景分析前瞻產(chǎn)業(yè)研究院.2018年全球藍(lán)寶石行業(yè)市場(chǎng)結(jié)構(gòu)和下游需求分析

（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/黑金）

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