加工钻石都要注意甚么
为了将钻石原石切磨加工切磨成各种琢型的成品钻石，必定按步骤实行1系列加工工序。1般而言，切磨加工钻石有4个独立的步骤，即标记（marking）、分割（dividing）、成型（shaping）和抛磨（polishing）。
1、标记原石
主要在对钻石原石作正确评价基础上，将设计意途用专门的笔标记在钻石上，切磨加工师按标记对钻石实行切磨加工。标记是钻石切磨加工的第1步，这也是全部切磨加工环节中最重要的工作，它直接影响钻石切磨加工的经济效益，也影响终究钻石成品的完善程度，做这项工作的人必须具有具坚实的宝石学专业知识，丰富的实践经验，并精通加工技术。他的终究目的是制造出最大、最干净、最完善形态的成品钻石，并创造最大的经济效益。
2、分割原石
出于各种缘由，需要对原石进行分割。分割原石也是1项10分重要的工作，它也直接影响钻石成品的质量，并终究影响钻石成品的价值。分割原石时所需要斟酌的重要因素有：钻石原石的形状、钻石的内部瑕疵、双晶及结晶学特点等。例如外形为8面体的钻石，通常采取原石截顶（topping the stone）的方法，也说是把原石锯成（图4⑺）所示的不等部份。这样将取得更大的商业价值。以1颗6克拉的原石为例，若原石按截顶分割后，底部大的部份的重量大约为4克拉，顶部大约重2克拉，成品可能将示1颗重2克拉、1颗重1克拉。若按腰部等分的办法分割，两部份的原石重3克拉，仍以50%的出品率计算，将取得两件大约1.5克拉的成品，明显采取第1种办法所取得的商业价值会更大。
3、粗磨
粗磨是将钻石原石进行成型加工处理的进程，它是1项切削或切磨工艺，这项工艺类似于在车床上加工木头或金属。
钻石粗磨的进程是：首先将腰磨的钻石粘在1个夹具上，并把夹具装在粗磨机的卡上，
将另外一颗充当切削夹在夹具上。操作者用手臂夹住长柄，当粗磨机带动钻石旋转时，使两颗钻石相互接触柄互磨成型。
4、抛磨
抛磨是对粗磨成型的钻石实行1系列工序而将其抛磨成终究成品的进程。抛磨装备的主要部件有磨盘、夹钳、夹嘴。抛磨是1项技术性能极强的技术，需要钻石切磨工晓得1定的工艺，并需要丰富的经验。
钻石首饰的加工
钻石的主要功能之1是佩戴，以装潢美化人们的生活，要佩戴，必须制作成首饰。因此钻石首饰的加工制作应是全部钻石加工环节中极为重要的组成部份。钻石首饰加工有以下2种最基本的方法：
4．3．1手造法加工
手造法加工是最原始的钻石首饰制造方法，也是最基础的加工步骤，不管是铸造法还是锻压法，均要以手造的首饰为模具。所以手造师傅在首饰加工厂里常常是技术水平最高的。钻石首饰手造法加工的基本进程是：
（1）前期准备：加工师在拿到1张完全的珠宝首饰设计图样后，首先要进行读图，以了解珠宝设计师的设计意图，分析首饰的整体结构和钻石镶造方式等。在此基础上，豫备加工材料，调剂加工装备。
（2）分件加工：根据结构分析的结果，按取大优先的原则，将全部首饰分解成若干独立元件，然后依照各个元件的重量、薄厚、宽窄、粗细、长短准备金属材料，利用压片机、拨丝机、窝砧、坑铁、打金锤、剪钳等工具，经过压片、压条、拨丝、剪切、打金等工艺，制成各元件的基本外型；并用锉、钳等工具进行比较准确的元件成形处理。钻石首饰要按镶嵌方式，首先加工好主石及副石的镶口。
（3）拼合定型：根据设计图样形态，在橡胶皮泥上摆放加工好的零散元件，要注意整体的调和和高低位层次，这对能否完善表达设计要求是非常重要的。在整体摆好后，用预先调配好的石膏浆浇在被橡皮粘住的首饰雏形上，当石膏干燥后，去掉橡皮泥，这时候全部首饰的正面就会被石膏牢固的定型。
（4）整型焊接：先在石膏底托上清算出首饰面的焊点，准备好从高温到低温的几种金属焊，用硼砂做焊药，用风球-油壶-火吹构造的焊具，按先大后小的顺序，顺次焊接上。焊接后洗净首饰毛胚的石膏粉，用低温金属焊，焊上细小的元件。要注意检查焊点的虚实，并尽能在较短时间内完成焊接，保持焊点的洁净。
（5）精细处理：焊接完的首饰虽已基本成形，但却相当粗糙，还需用锉、砂、纸、皮砂轮等工具，对其进行精细平滑处理，除去所有过剩焊、锉痕。如果有锉不下去的砂眼存在，还需要用火焊将其修补好。做此工序时，必须快速准确，避免原本的焊点脱开。
（6）钻石镶嵌：钻石是整件钻石首饰的中心，所以从设计到加工的全部进程都应把钻石镶嵌放在首位。首先选择适当的镶嵌方式，利用吊机、细锉、钳、镊子、木夹子等工具，经过石型观测、宝石摆放、镶口定位、放石加固，完成钻石镶嵌工序。镶嵌时1般先上副石，后上主石，再利用吸珠将瓜打圆或用胶轮把包边打光。
（7）抛光清洗：抛光是为了提高金属表面的光洁度。通常使用的工具有打磨机、毛刷、上绿蜡的黄布轮和上红蜡的白布轮等。
（8）后期处理：加工制作钻石首饰时，常常在钻石首饰的金属局部附加电镀彩色金属层（如电镀18K白金等），以到达新颖的艺术效果。作为工业产品，出厂前还要在钻石首饰上打印厂标、金属纯度及钻石重量等参数，才能算是完成了整件钻石首饰的制作进程。
4．3．2铸造法加工
铸造法是当前比较流行的贵金属钻石首饰加工镶嵌方法。此法的加工步骤以下：
（1）起板：即利用手造方法制造出首饰样板，并在其适当位置焊上能保证浇铸时引导金属液体顺利灌入的水口棒，作为浇铸用样板。在某些情况下，也采取浮雕的技法直接用雕蜡方法制造出首饰原形，称为起蜡板。
（2）压胶、注蜡：用塑性生橡胶片把首饰样板夹在将生胶片塞入1个预选的铝框中，并使被压抑的样板填满碎胶片，利用热压机（150℃±）在橡胶中压抑30⑹0分钟，而后用手术刀，按1定技术规则将胶片割开，取出首饰样板就制成了所谓的胶模。用联接抽真空机的铸蜡机（70⑼0℃，1⑴.2×105Pa）将熔融状的石蜡注入胶模中，冷却硬化后从胶模中谨慎取出，就成了所谓的蜡模。
将蜡模上的毛边去掉，并按客户要求修改圈口后，种在1根准备好的蜡杆上，从1个方向顺次种上1批首饰蜡模，构成1个蜡树。较小的种在树顶部，而较粗大的放在树底部，种的角度应在45°左右，以保证液体金属能顺利灌入到所有的部位上。
（3）浇铸：先将蜡树称重后，固定在铸笼内，按劳1：40的比例将石膏粉与水搅伴均匀，放在抽真空机上抽真空大约90秒，取出后灌入铸笼，再抽真空约90秒后谨慎取出。石膏经大约2小时就可以凝固，而后再经过1⑵小时的蒸蜡，就能够将铸笼放入烘箱内进行石膏的烘焙了，经过约6小时的逐渐升温进程便可完成石膏的烘焙，制成石膏模。
下1步则将金属料及补口在熔金炉中加热，当合金完全融化并搅匀后，把金水浇铸到真空机或离心铸造机的石膏中，冷却后就制成了首饰毛坯。
（4）执模、炸金：执模是指对首饰毛坯进进行精心修理的工序；而炸金是指执模后对金属首饰进行除污加亮的工序。两道工序对加工钻石首饰都必不可少。
（5）镶石及后期处理：经炸金后，通过与手造工艺相同的镶石、抛光、清洗
熔体泡生法生长高质量蓝宝石的原理和利用
孙广年于旭东沈才卿
第1作者简介：孙广年，中宝协人工宝石委员会第1、2届委员，第3届副主任委员，浙江省巨化团体晶体材料厂厂长。
1、引言
材料科学是现代文明的3大支柱（能源、信息、材料）之1，是人类文明的物资基础。晶体生长属于材料科学范畴并且是它的发展前沿。业已证明，1些高新科学技术的发展，无1不和晶体材料密切相干；军事工业的发展，例如导弹、无人驾驶飞机、潜艇、人造卫星及宇宙飞船等的窗口材料都需要晶体生长的优良材料，这些材料的好坏决定着技术水平的高低，而且只有在材料方面有所突破，才能希望相干技术有所突破。高质量的无色蓝宝石由于它的特殊良好性能，有着非常广泛的用处，例如蓝宝石单晶具有独特而良好的物理化学性质，特别是在0.2～5.0μm波段有良好的透光性，可广泛用于红外军事设备、卫星和空间技术等领域。由于蓝宝石晶体的电介质绝缘、有恒定的介电常数等特性，使其成为利用最广泛的衬底材料之1。世界各国都在千方百计进行研究和生产。浙江省巨化团体公司晶体材料厂经过量年的努力，用熔体泡生法和熔体提拉法相融会的技术生产出了高质量的无色蓝宝石，已生产出直径到达220mm以上，重28kg以上，不但可以用于军事工业的窗口材料，也能够用于衬底材料和发光2极管（LED）节能环保行业，具有没有限的潜力和发展前景。
2、高质量蓝宝石晶体生长技术扼要
蓝宝石是刚玉宝石的1种，除红色的红宝石之外，其他刚玉宝石都叫蓝宝石。无色蓝宝石是蓝宝石中的1种，化学成份为3氧化2铝（Al2O3），3方晶系，抛光表面具亮玻璃光泽至亚金刚光泽，1轴晶负光性，折射率值为1.762～1.770，双折射率为0.008～0.010，摩氏硬度为9，密度约为4.00g/cm3。
蓝宝石的人工合成方法主要有焰熔法、助熔剂法和熔体法，其中熔体法又包括好几种方法。焰熔法和助熔剂法都不能生长出高质量的蓝宝石大晶体，缘由是：焰熔法生长的宝石晶体除单个晶体比较小外，晶体还具有大量的镶嵌结构，质量欠佳；助熔剂法生长的宝石晶体也很小，并且包括有助熔剂阳离子，质量也不太好。只有熔体法生长的宝石晶体具有纯度和完全性都高的特点，并且单个晶体大，能成为现代高科技及国防工业急需的高质量宝石晶体。熔体法生长宝石的原理是：将构成宝石成份的原料放在耐高温坩埚中加热融化，然后在受控条件下，通过降温使熔体出现过冷却，从而使晶体生长出来的方法。由于降温的受控条件不同，因此从熔体中生长出高质量宝石晶体的方法也稍有不同。世界上主要的熔体法高质量蓝宝石晶体生长技术有以下4种：①Czochalski熔体晶体提拉法；②EFG（Edge-defined Film-fed Growth）熔体导模法；③HEM（Heat Exchanger Method）熔体热交换法；④Kyropoulos Method熔体泡生法。以上4种从熔体中生长宝石晶体的方法，其技术特点和优缺点扼要介绍以下。
1.熔体晶体提拉法
熔体晶体提拉法（简称熔体提拉法）是利用籽晶从熔体中提拉生长出晶体的方法。该方法能在短时间内生长出大而无位错的高质量单晶，是由J.丘克拉斯基（J.Czochalski）在1917年首先发明的，所以又称丘克拉斯基法，简称 Cz提拉法，为熔体中生长晶体最经常使用的方法之1。其主要技术特点是所有使用提拉法生长晶体的共同基础，简述以下：将宝石组分的原料装在坩埚中，并被加热到原料的熔点以上，此时，坩埚内的原料被融化成熔体；在坩埚的上方有1根可以旋转和升降的提拉杆，杆的下端带有1个夹头，其上装有籽晶，下降提拉杆，使籽晶插入熔体中，调好温度，使籽晶既不熔掉也不长大，然后缓慢地向上提拉和转动籽晶杆。缓慢地下降加热功率，经过缩颈—扩肩—等径生长—扫尾的生长全进程，就可以得到所需直径的晶体。全部生长装置安置在1个可以封闭的外套里，以便使生长环境中有所需要的气氛和压强；通过外罩的窗口，可以视察到生长的情况。其生长原理见图1。此方法的主要优点是：①在生长进程中可方便地视察晶体生长的状态；②晶体在熔体表面处生长，不与坩埚相接触，这样能显著减小晶体的应力，并避免坩埚壁的寄生成核；③可以方便地使用定向籽晶和“缩颈”工艺。“缩颈”后的籽晶，其位错可大大减少，这样可以使扩肩后生长的晶体，其位错密度下降，得到完全性很高的晶体。此方法的主要缺点是晶体比较小，最多能到达直径2～3英寸
1英寸＝25.4mm。，不能适应现代高科技和国防工业对大尺寸晶体的要求。在生长大尺寸晶体上，其他3种方法都优于Czochalski熔体晶体提拉法。
20世纪70年代，由于激光材料研究的需要，我国开始研制人造钇铝榴石（YAG）和人造钆镓榴石（GGG）晶体的熔体提拉法生长技术，由于军事工业发展的需要和尖端科技研究及利用的需要，熔体提拉法生长宝石晶体技术后来得到了进1步的发展和完善，现在已能够顺利生长出许多有实用价值的宝石晶体（图2,3），如合成无色蓝宝石、合成红宝石、人造钇铝榴石（YAG）、人造钆镓榴石（GGG）、合成变石等。
图1熔体提拉法晶体生长示意图
图2熔体提拉法生长的蓝宝石晶体
图3熔体提拉法生长的激光晶体
2.熔体导模法
熔体导模法是改进型的熔体晶体提拉法，可以控制晶体形状。其主要工艺技术特点是：将1个高熔点的惰性模具放于熔体当中，模具的上表面具有所需形状的“图案”，下部带有细的管道直通模具顶端，熔体由于毛细作用被吸引到模具的上表面，与1个籽晶接触后，熔体随籽晶的提拉而高于模具表面时，能自动拓展到“图案”的边沿，在随后的提拉中生长出模具顶端形状的晶体。它的主要优点是可以按我们的要求生长出多种形状的晶体，Saint-Gobain公司用此技术能够生长直径450mm到500mm的蓝宝石光学用晶片，而日本京瓷公司则可以用改进的技术生长LED衬底使用的C面晶片，并具有该项技术的专利。其原理示意如图4所示。此方法生长晶体的装备和工艺技术难度较大，不容易推行。
图4熔体导模法晶体生长示意图
图5熔体热交换法生长的350mm蓝宝石晶体
3.熔体热交换法
熔体热交换法的实质是控制温度，让熔体在坩埚内直接凝固结晶。其主要技术特点是：要有1个温度梯度炉，这个温度梯度炉是在真空石墨电阻炉的底部装上1个钨钼制成的热交换器，内有冷却氦气流过。把装有原料的坩埚放在热交换器的顶端，二者中心相互重合，而籽晶置于坩埚底部的中心处，当坩埚内的原料被加热融化以后，氦气流经热交换器进行冷却，使籽晶不被融化。随后，加大氦气的流量，带走更多的熔体热量，使籽晶逐步长大，最后使全部坩埚内的熔体全部凝固。此方法的主要优点是：晶体生长时，坩埚、晶体、加热区都不动，消除由于机械运动而造成晶体的缺点；可以控制冷却速率，减少晶体的热应力及由此产生的晶体开裂和位错等缺点，是生长优良大晶体的好方法。但这个方法的装备条件高，全部工艺复杂，运行本钱高，因此并没有被广泛利用。该工艺为Crystal System公司专利技术，主要为美国军方提供整流罩，目前已生长出直径350mm的蓝宝石晶体（图5）。
4.熔体泡生法
熔体泡生法是1926年由Kyropouls发明的，经过几10年来科研工作者的不断改进和完善，目前是解决熔体晶体提拉法不能拉大直径晶体的方法之1。其生长晶体原理示意如图6所示，其主要技术特点是：将待生长的晶体原料放在耐高温的坩埚中加热融化，然后调剂炉内温度场，使熔体上部处于稍高于熔点状态；籽晶杆上安置1颗籽晶，让籽晶接触熔融液面，待籽晶表面稍熔后，下降表面温度至熔点，提拉并转动籽晶杆，使熔体顶部处于过冷状态而结晶于籽晶上，在不断提拉的进程中，生长出圆柱状晶体。晶体在生长进程中或生长结束时不与坩埚接触，这就大大减少了晶体的应力，可以取得高质量的大直径晶体。它与熔体晶体提拉法不同的地方在于扩肩时晶体直径比较大，几近与坩埚直径相同（比较图1和图6），加上晶体不与坩埚接触，这些就是熔体泡生法的工艺特点和难点所在。浙江巨化团体公司晶体材料厂通过将熔体泡生法与熔体提拉法技术相融会，开发了这类高质量的蓝宝石生长技术，并以生长无色优良蓝宝石晶体为主要产品，有人也把此方法称为“熔体泡生提拉法”。目前已能生长出直径220mm以上，重28kg以上的高质量无色蓝宝石晶体，产品见图6。
图6熔体泡生法生长晶体的原理示意图及其产品
3、熔体泡生法生长高质量无色蓝宝石晶体的工艺
1）将纯净的α－Al2O3原料装入坩埚中。坩埚上方装有可旋转和升降的提拉杆。杆的下端有1个籽晶夹具，其上装有1粒定向的无色蓝宝石籽晶（注：生长无色蓝宝石时不加致色剂，籽晶也要用无色蓝宝石，无色蓝宝石晶体比有色蓝宝石晶体用途更大）。
2）将坩埚加热到 2050℃以上，下降提拉杆，使籽晶插入熔体中。
3）控制熔体的温度，使液面温度略高于熔点，熔去少许籽晶以保证能在籽晶的清洁表面上开始生长。
4）在实现籽晶与熔体充分沾润后，使液面温度处于熔点，缓慢向上提拉和转动籽晶杆。控制好拉速和转速，籽晶就逐步长大。
5）谨慎地调理加热功率，使液面温度等于熔点，实现宝石晶体的缩颈—扩肩—等径生长—扫尾的生长全进程。
全部生长装置安置在1个外罩里，以便抽真空后充入惰性气体，使生长环境中保持所需要的气体和压强。通过外罩上的窗口可视察晶体生长情况，以便随时调理温度，使晶体生长进程正常进行，用这类方法可以生长出大直径高质量的无色蓝宝石晶体。
4、熔体泡生法生长优良蓝宝石的技术要点
蓝宝石属3方晶系，晶体结构存在着两个主要的滑移体系（底面滑移系和柱面滑移系），因此在采取提拉法生长蓝宝石单晶工艺中，温场的温度梯度和晶体生长方向的公道选择将对蓝宝石单晶的质量产生关键的影响。
1.建立公道的温度梯度是生长优良晶体的重要条件
热系统是温度梯度的决定因素，是生长优良晶体的基本条件。当晶体恒温生长时，根据界面稳定条件：
中国人工宝石
而
中国人工宝石
所以有
中国人工宝石
因此界面保持稳定的最大生长速率为
中国人工宝石
式中：
和
分别为界面附近熔体和晶体中的温度梯度；K1和Ks分别为熔体和晶体的热导率；L为结晶潜热；ρ为晶体密度。
从式（3）中可以看出，晶体的最大生长速率取决于晶体中温度梯度的大小，要提高晶体的生长速率，必须加大温度梯度。晶体中温度梯度过大，将会增加晶体的热应力，引发位错密度增加，乃至致使晶体开裂。
根据无色蓝宝石单晶的热导率等性质，建立公道的温度梯度是生长完全单晶的条件。
2.晶体的生长方向选择很重要
无色蓝宝石属于3方晶系，存在有两个主要的滑移系：（0001）面沿
方向的底面滑移系和
面沿
方向的柱面滑移系。滑移最易沿原子密度大的晶向产生，因此晶体生长界面与（0001）面交角大时，由于底面滑移，易于产生大量晶界；当滑移比较严重时，则可能产生滑移带，构成孪晶；相反，则不容易产生滑移，晶界不容易生成。
沿0°取向即（0001）生长时，晶体外形的对称截面虽易呈6角形，但是缺点会优先在光轴方向增殖，容易构成镶嵌结构，破坏晶体结构的完全性。
因而可知，选择适合的晶体生长方向是必要的，我们根据屡次实验找到了生长优良无色蓝宝石的晶体生长方向。我们认为，根据所建立的温度梯度，选择适合的晶体生长方向是生长高质量无色蓝宝石单晶的关键。
5、熔体泡生法生长优良无色蓝宝石的利用
熔体泡生法生长的优良蓝宝石通常利用于国防工业、兵工科技和尖端科学技术研究领域，其边角料或不合格原料可以用于珠宝首饰行业。熔体泡生法生长的优良蓝宝石之所以在国防工业、兵工科技和尖端科学技术研究领域中有广泛的利用，是由无色蓝宝石晶体本身的良好性能决定的。无色蓝宝石单晶的部份性能参数见表1。
表1无色蓝宝石单晶部份性能
1.优良无色蓝宝石晶体在基底中的利用
优良无色蓝宝石晶体由于其出色的性能，在1些基底利用中成为首选材料。主要表现在以下几个领域内：
1）蓝光 LED发光2极管基底材料（BLED’s）——在无色蓝宝石基底上生长Ⅲ—V族和Ⅱ—Ⅵ族化合物；
2）红外探测器——无色蓝宝石晶体可以作为生长碲镉汞晶体（HgCdTe）的基底；
3）砷化镓晶片（GaAs）的基底；
4）微波集成电路材料。
1方面在微电子集成电路利用方面，R面—
晶面的无色蓝宝石衬底是异质外延硅的首选材料：由于无色蓝宝石单晶具有高且稳定的介电常数，使其特别合适作微波和高速集成电路和压力传感的异质衬底。另外一方面，在无色蓝宝石单晶上可之外延铊等混合超导化合物，制作高电阻器件，也能够用来生长GaAs或用它做其他1些材料的载片。
A面—
晶面无色蓝宝石单晶衬底：由于无色蓝宝石单晶具有稳定的介电常数和高绝缘性，可用作高温超导材料的载体。
再有，C面—｛0001｝晶面的无色蓝宝石单晶衬底有单面或双面抛光的，被广泛利用于外延生长Ⅲ—V和Ⅱ—Ⅵ族化合物，如蓝光 LED用的GaN衬底（白光 LED是在蓝光 LED的基础上，经过荧光粉效应而产生的）。也被用于制作红外探测用的汞镉锑化合物器件的载体。
2.优良无色蓝宝石在发光2极管（LED）领域中的利用
LED的利用领域非常广，包括通讯、消费性电子、汽车、照明、信号灯等。我们可大体把它们辨别为背光源、照明、电子装备、显示屏、汽车等5大领域。在地球资源日渐衰竭的本日，环保和节能是现今各产业发展的重心，特别是需要消耗大量电力的照明产业，在光源的研发上，更趋向于环保和节能。发光2极管（LED）的出现，是对人类照明世界的1次革命，对人类的未来有侧重大影响与改变。LED除耗能低、寿命长以外，还有以下优点：
1）利用非常灵活：可以做成点、线、面各种形状的轻、薄、短小产品；
2）环保效益佳：由于光谱中没有紫外线和红外线，也没有热量和辐射，属于典型的绿色照明光源，而且废弃物可回收，无污染；
3）控制极其方便：只要调剂电流，就能够随便调光，不同光色的组合变化多端，利用时序控制电路，更能到达丰富多彩的动态变化效果。
LED不但可用于大型广告显示屏，还可以用于建筑和交通照明。白光 LED的出现，是 LED从标识功能向照明功能跨出的实质性1步。白光LED最接近日光，能较好地反应照耀物体的真实色彩，从技术角度看，白光 LED无疑是LED最尖真个技术。
白光LED的市场利用将非常广泛，也是白炽钨丝灯泡及荧光灯的“杀手”。白色LED已开始进入1些实际利用领域，如应急灯、手电筒、闪光灯等产品已相继问世。
据美国能源部预测，2010年前后，美国约有55%的白炽灯和荧光灯将被白光 LED替换，每一年节电价值可达350亿美元，可构成1个500亿美元的大产业。日本提出，白光 LED将在2008年左右大范围替换传统白炽灯。为了抢占未来市场的制高点，通用电气、飞利浦、奥斯拉姆等世界3大照明工业巨头纷纭行动，与半导体公司合作成立 LED照明企业，目标是在 2010年前把LED发光效力再提高8倍，价格下降99%，前景多么诱人！
3.优良无色蓝宝石在GaN外延衬底材料中的利用
优良无色蓝宝石晶体是目前唯1商用的GaN外延衬底材料，而半导体发光技术的新成绩，为优良无色蓝宝石晶体的利用首创了新的前景。通过在无色蓝宝石晶体基片上外延GaN，可以制作蓝光发光2极管（LED）。
目前LED的重要用处和前景正逐步被人们所认识，随着 LED产业化的飞速发展，大尺寸、高品质的蓝宝石晶体将成为市场的新宠。
6、结语
我们用熔体泡生法与熔体提拉法相融会的技术生长出了优良的大直径无色蓝宝石。为了取得高质量的无色蓝宝石单晶，在晶体生长进程中，从晶体本身的特性动身，建立了公道选择温度梯度和晶体生长方向相融会的生长工艺。熔体泡生法生长的高质量无色蓝宝石单晶的利用领域非常广泛，可以利用于国防工业、兵工科技和尖端科学技术研究领域，特别是在衬底领域和发光2极管（LED）方面的利用，表现出优良的发展前景。
参考文献
何雪梅，沈才卿编著.2005.宝石人工合成技术.北京：化学工业出版社.
马成功等.1998.导模法生长白宝石单晶中的缺点视察.无机材料学报，13（1）.
王崇鲁.1983.白宝石单晶.天津：天津科学技术出版社.
于旭东等.2006.蓝宝石晶体的生长方向研究.人工晶体学报，35（2）.
张克从等.1997.晶体生长科学与技术.北京：科学出版社.
张玉龙等.2005.人工晶体——生长技术、性能与利用.北京：化学工业出版社.
张蓓莉主编.2006.系统宝石学（第2版）.北京：地质出版社.
专利文献.日本亚木精密宝石株式会社P2003⑶13092A.
LED照明突出优点及广泛的用处.通讯信息报，2006-02⑴0.
Pub.No.:US2005/0227117A1,United States,Patent Application Publication.
Schmid F.et al.J.Amer.1970.Cerma.Soc,53,528
Scheel H J,Fukuda T.2003.The Developlment of Crys-tal Growth Technology,Crystal Growth Technolo-gy,pp.3～14.
提拉法和导模法生长宝石晶体
“晶体提拉法”是利用籽晶从熔体中提拉生长出晶体的方法。该方法能在短时间内生长出大而无位错的高质量单晶，是由J.丘克拉斯基（J.Czochralski）在1917年首先发明的，所以又称丘克拉斯基法。大多数氧化物类晶体如红宝石、蓝宝石、人造钇铝榴石（YAG）、人造钆镓榴石（GGG）、金绿宝石、尖晶石等，都能用晶体提拉法生长。
导模法是晶体提拉法的1个变种。
1、晶体提拉法的原理与装置
（1）晶体提拉法的原理
晶体提拉技术的原理可以用图4⑴⑷来讲明。生长装备包括：坩埚、熔体（原料）、籽晶与晶体提拉机构、加热器及功率控制、温度控制系统、炉体及氧气控制系统、后加热器等，将待生长的原料放在适合的坩埚内融化，装上定向的籽晶，降下籽晶杆，接种、放肩，然后等径生长出到达要求的晶体。
图4⑴⑷晶体提拉法装置示意图
这类方法的主要特点是：
1）晶体生长进程直观，便于视察。
2）短时间内可长出高质量的大晶体。
3）可以定向等径生长，但是受坩埚材料污染、熔体对流及饱和蒸气压低、熔体挥发等的影响，给定向等晶生长晶体带来困难。
（2）晶体提拉法的主要装置
1.坩埚
坩埚是放熔体的器皿，应具有耐高温、抗熔体腐蚀、加工容易、不污染晶体等特点，不同宝石晶体使用不同的坩埚，经常使用的坩埚及生长的宝石材料见表4⑴⑸。
表4⑴⑸经常使用于生长人工宝石的坩埚材料
铂、铱、钼等金属材料，延展性好，容易制造成各种形状，可重复使用，是首选材料。石墨加工容易，耐高温，可用于不与其产生氧化反应的材料的生长，但石墨较易氧化或脱落（即便在还原条件下），容易造成污染。
2.加热器及功率控制
晶体生长的关键是必须保持稳定的温场，功率也必须严格控制，射频加热、电阻加热是最经常使用的方法。射频加热的电源有中频和高频两种，由于坩埚导电性能较好，为了克服“集肤效应”而均匀加热，现在大都采取中频加热，特别是用在YAG、合成金绿宝石的生长时更是如此。感应加热的感应器应公道设计，以保持稳定公道的温场。电阻加热也是经常使用的方法，在宝石晶体生长中经常使用的加热器材料有石墨和钨两种。石墨耐高温，易加工，寿命长，但有污染；钨耐热温度高、不污染，但加工困难。
加热器功率的自动控制10分重要，只有保证熔体的温度稳定，才能培养出好的晶体，1般要求稳定在±0.2℃。
3.保护环境
1般晶体生长炉都有水冷的不锈钢外壳，内部可以加保温材料，还可以用保护气体，如氯、氦、氮、氢等改变炉内的气氛。所用流量和蔼体分压也都视材料而定，如在生长合成蓝宝石时，使用微量O2[w（O2）=0.5%]的Ar-O2或N2-O2混合气体，避免Al2O3脱氧。石墨加热时则使用Ar做保护气体。YAG、合成金绿宝石多用纯Ar来做保护气体。充气之前应先抽成真空，因此炉子还必须有真空系统。
4.提拉、转动机构及其控制
晶体提拉机构是1组精密的机械装置，不但要求机械加工精度高，而且电机拖动系统也要自动控制，还要与坩埚、晶体的电子称重系统构成自动调理，这部份是现代提拉炉的最重要部份之1。
拉速和转速影响着固液界面的形状，界面状态是晶体生长的关键因素。晶体应在平界面生长，曲折界面会引发径向杂质不均匀，合成宝石晶体内外色彩不1致。如晶体凸入熔体，容易构成小面，特别是GGG和合成红宝石的生长中有这类情况。转速除改变界面形状外，还引发熔体对流，因此必须设计公道的转速。
提拉速度主要决定于：待生长的晶体直径、炉体的温度、晶体质量要求、组分过冷等。
提拉速度和转速1般由实验决定（见表4⑴⑹）。
表4⑴⑹材料与转速、拉速之间的关系
5.后加热器
由晶体提拉法生长的晶体，在离开熔融的液面后，不能直接进入室温的空间，否则会由于温度急剧变化而产生内应力使晶体破裂。应在装备上斟酌保温装置，使晶体逐步冷却，这个装置就是后加热器（简称后热器）。后加热器的主要作用是调理晶体和熔体之间的温度梯度，以得到适合的纵向温度梯度，避免晶体开裂。
后热器可分为自热式和隔热式两种。自热式为圆柱状或伞状；隔热式后热器可用高熔点氧化物如氧化锆、氧化铝、合成刚玉陶瓷等制成，也能够由多层钼片、铂片反射器组成，所以隔热式后热器也叫保温盖。
通常后热器放在坩埚的上部，生长的晶体逐步进入后热器，生长终了后就在后热器中冷却至室温。
2、晶体提拉法生长宝石晶体实例
1.α－Al2O3（包括合成蓝宝石和红宝石，现以合成蓝宝石为例）晶体生长
原料：焰熔法白色合成蓝宝石碎块＋TiO2+Fe2O3,TiO2、Fe2O3的配比视色彩而定。也能够用α－Al2O3（已搀杂）的烧结块。
坩埚：钼。
加热器：石墨。
温场设计：符合界面设计要求。
装备：真空充Ar晶体提拉炉。
工艺参数：温度2050℃以上，转速10～15r/min，拉速1～10mm/h可调。
将原料放入坩埚，加热到2060℃，融化原料，已装好籽晶（定向）的提拉杆降落使籽晶接触熔体，控制温度略高于熔点，接种后，渐渐提拉、转动，谨慎下降功率，使晶体变粗。经过调理功率，实现接种—缩颈—放肩—等径生长—扫尾的全部生长进程。在生长进程中视察生长情况，用红外传感器丈量固－液界面的亮光环温度作为测温等径生长的采样，实现自动调理生长。
2.GGG晶体生长
人造钆镓榴石GGG是1种人造宝石，它与人造钇铝榴石（YAG）、人造钇铁榴石（YIG）等构成1系列具有石榴石结构的晶体。由于GGG可以掺入Cr、Nd等稀土和过渡族元素，因此色彩品种多而且色泽艳丽。研究这类晶体主要出于工业目的，它是很好的磁泡材料和激光基质材料，副产品可用于宝石，特别是绿色和蓝色的晶体。
GGG的份子式为Gd3Ga5O12，是等轴晶系，晶胞常数123.8nm。其生长工艺已成熟，与YAG1样，掺入Cr3+成绿色，掺入Nd3+成紫色，掺入Er3+为粉红色等。
典型工艺中频感应加热，铱坩埚80mm（d）×80mm（h），充保护气体N2+O2[w（O2）%]，拉速6mm/h，转速30r/min，籽晶定向，［111]方向生长，长成晶体长20～25mm，宽60mm。
主要缺点原料价格太贵，影响了它的推行利用。
3.YAG的提拉法生长
人造钇铝榴石（YAG），成份为Y3Al5O12，立方结构。作为激光器的晶体掺入Nd，显紫色；掺Co3+变蓝；掺入Ti3+变绿（有Fe）；掺入Mn3+变绿（有Fe）；掺入Mn3+变红；掺入Ti3+变黄。YAG色彩丰富，特别是绿色YAG可作为祖母绿代用品。
YAG的生长基本与GGG相同，配料为3Y2O3·5Al2O3。目前已研制了专门的中频加热的提拉炉，炉子带坩埚称重、晶体称重和等径生长控制，气氛是N2+Ar充气，铱坩埚，生长出大晶体已无困难，重要的是在宝石晶体生长时调正色彩色调，使其接近所替换的天然宝石色彩。
4.合成金绿宝石的提拉法生长
合成金绿宝石成份为Be Al2O4，掺入Cr3+、V3+离子晶体可产生变色效应，目前已有合成变石投放市场。
因BeO有毒，原料制备在封闭的环境中进行，Al2（SO4）3（NH4）2SO4·24H2O、Be SO4·4H2O及搀杂元素NH4Cr2O7+NH4VO3，按要求称重混合放入蒸发器，加热8h渐渐升温至1000～11000C，继而保温4h，使其完全分解为氧化物。将反应产品研碎并压块，在1300℃下灼烧10h，作为生长晶体的原料。也能够用α－Al2O3和BeO的粉末按1:1混合，加入搀杂剂Cr2O3和V2O5，混合压片，并在1200～1300℃温度条件下进行灼烧构成BeAl2O4多晶料。
典型工艺是：射频加热，60mm（d）×80mm（h）铱坩埚，抽真空后充102k Pa的Ar，加热到1870℃将原料融化，再升温到1900℃，保温1h，然后降温30～50℃，接种籽晶（001），经放肩、提拉、等径、扫尾等进程而长出晶体。转速25～40r/mim，拉速2.5mm/h，固－液界面温度梯度小于10℃/mm，这样可以生长出直径20～25mm的晶体。
3、导模法生长宝石晶体
导模法全名应为边沿限定薄膜供料提拉生长技术（简称EFG法），它是熔体提拉法的1个变种，特别适用于片状、管状和异型截面的晶体生长，这类方法可以生长合成蓝宝石、合成红宝石、YAG、合成金绿宝石等。
导模法的原理如图4⑴⑸所示，它与其他提拉法不同的是，在熔体中放入1个导模，上部边沿就是将要生长的晶体的截面形状，导模与熔体以毛细管或狭缝相通，熔体因毛细现象而沿毛细管上升，在顶部可用种晶引晶，在晶体与模之间有1液态的薄膜，液体在晶体和模顶面之间分散到边沿，所以固化后就和模子的边沿形状1样。
图4⑴⑸导模法提拉晶体
晶体生长的关键是导模设计和炉内温场的设计。导模设计要斟酌熔体与模具材料是不是浸润；温场设计要保证模口的温度适合。
由于手表工业的发展，合成蓝宝石表蒙大量使用白色合成蓝宝石，加上工业上用它作SOS基片，板状晶体生长需求量剧增。目前已实现多片同时生长，高速提拉，并可生长出宽近100mm，长达1000mm，同时7～10片的合成蓝宝石晶体。表4⑴⑺是用导模法生长的1些宝石晶体的工艺条件。
表4⑴⑺导模法生长宝石晶体部份工艺条件
4、提拉法和导模法生长宝石晶体的鉴别
（1）提拉法生长宝石晶体的鉴别
1.成份分析
用X射线荧光分析或电子探针方法可检测出提拉法生长的宝石晶体中存在有钼、钨、铱、铂等金属元素。
2.放大检查
用放大镜或显微镜视察，晶体内部有云朵状气泡群及条帚状包体，或可见拉长的气态包体和很细的、曲折成圆弧状的不均匀生长条纹。
利用超标准暗域或倾斜光纤照明技术视察，提拉法生长的宝石晶体偶尔可见1些细微的、类似于烟雾般的微白色云状物资。
（2）导模法生长宝石晶体的鉴别
1.包体
导模法生长的晶体，通常不存在未融化的粉料包体，但可能存在导模金属的固体包体和蔼态包体。晶体内部可发现直径0.25～0.5µm大小的气泡，且气泡散布不均匀。
2.存在籽晶及其缺点
由于熔体导模法与提拉法1样使用了籽晶，所以生长出的晶体必定有籽晶的痕迹，并且籽晶的缺点也可进入导模法生长的晶体中。
各位老铁们好，相信很多人对杆式宝石模具都不是特别的了解，因此呢，今天就来为大家分享下关于杆式宝石模具的问题知识，还望可以帮助大家，解决大家的1些困惑，下面1起来看看吧！
