CN103233269A - 消除热交换法生产白宝石晶体色心的低温处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种消除热交换法生产白宝石晶体色心的低温处理方法；属于白宝石晶体生产工艺技术领域，其技术要点包括下述步骤：（1）将热交换法生产的白宝石晶体清洗后置于以硅碳棒为加热元件的电阻炉内；电阻炉具备适当的空气气氛或氧气气氛，炉腔内的温度均匀性偏差小于±5℃，升降温温度速率的精度偏差小于±2℃；（2）从室温开始采用升温120～400℃/小时的速率升温到1200～1300℃，恒温12～48小时，恒温结束后采用降温200～400℃/小时的速率将炉温降至室温，取出白宝石晶体。本发明旨在提供一种操作方便、处理效果良好且质量稳定的消除热交换法生产白宝石晶体色心的低温处理方法；用于消除白宝石晶体的色心。

Description

消除热交换法生产白宝石晶体色心的低温处理方法

技术领域

    本发明涉及一种白宝石晶体的处理方法，更具体地说，尤其涉及一种消除热交换法生产白宝石晶体色心的低温处理方法。

背景技术

白宝石（Al₂O₃，纯氧化铝单晶体，也称蓝宝石）由于具有高强度、高硬度、耐高温、耐磨擦、化学稳定性好，紫外-红外透过率高、电绝缘性能优良等一系列优良的物化性能，所以白宝石晶体不仅是光电子领域的重要基础材料，如GaN外延生长的商业化衬底，占市场95%以上，大规模集成电路衬底、超导衬底、铁电衬底，而且是军事领域重要的光学材料，如高速导弹整流罩、红外分析仪、夜视仪、侦察仪和制导仪多光谱宽波段窗口、飞机的光电吊舱、二代导航卫星用星载氢原子钟白宝石微波谐振腔材料、高能激光器输出窗口材料和激光引力波干涉仪上的光学材料等。

    白宝石晶体的方法生长几乎覆盖了所有的人工晶体生长方法如火焰法、水热法、坩埚下降法、导模法、水平区熔法、提拉法、温梯法、泡生法和热交换法等。    

由于白宝石晶体的熔点高达2050°C,生长极其困难，直径200mm以上的白宝石晶体主要有泡生法和热交换法，热交换法是目前世界上稳定生长最大尺寸和最高光学质量的白宝石晶体的唯一方法，其量产白宝石晶体重量突破115公斤，直径达15英寸。

热交换法生产白宝石晶体采用石墨电阻发热体为加热元件。由于石墨材料在2050°C生长温度的挥发，造成实际生长气氛为弱还原性气氛，在这样的缺氧弱还原性生长条件下，白宝石晶体由于氧空位的存在导致晶体存在206nm处的色心吸收。色心(color center)是指透明晶体中由点缺陷、点缺陷对或点缺陷群捕获电子或空穴而构成的一种可导致可见光谱区的光吸收的缺陷。色心缺陷是热交换法生产的白宝石晶体中常见的缺陷。

由于色心缺陷捕获电子的状态不同，白宝石晶体不同程度地存在颜色。人们对于白宝石Al₂O₃晶体中的F、F⁺和F₂ ⁺等各种色心进行了深入的研究，认为Al₂O₃晶体由于在高温缺氧条件下生长，在晶体内存在大量氧空位。在热交换法生产的Al₂O₃晶体因在高温弱还原性气氛的生长条件下，形成较多的氧离子空位V_O ^2-，氧离子空位V_O ^2-的形成能为3.5ev，氧离子间隙、铝离子空位、铝离子间隙的形成能分别为10.5ev，9.1ev，10.8ev。利用极化点离子模型计算出Al₂O₃晶体内各种空位和间隙的迁移能，氧空位迁移能为2.9ev，Al³⁺间隙位的迁移能为5ev，Al³⁺空位沿C轴和垂直于C轴的迁移能分别为6.6ev和3.8ev，因此从热力学和动力学的角度分析，可以认为在Al₂O₃晶体中氧离子空位V_O ^2-是最容易产生、迁移，也是最多的点缺陷。

当氧离子空位V^×× _O ^2-俘获一个自由电子便形成V^× _O ^2-(F⁺心)，即V^×× _O ^2-+e= V^× _O ^2-(F⁺)， 若俘获两个自由电子便形成V^×× _O ^2-(F心),即V^×× _O ^2-+2e= V^′ _O ^2-(F)。F色心的吸收峰为203nm，F⁺色心存在两个吸收峰，分别对于226nm和256nm。正是由于上述各种色心或复合色心缺陷的存在，导致热交换法生产的白宝石晶体一般呈现粉色或浅红色。

发明内容

本发明的目的在于提供一种操作方便、处理效果良好且质量稳定的消除热交换法生产白宝石晶体色心的低温处理方法。

本发明的技术方案是这样实现的：一种消除热交换法生产白宝石晶体色心的低温处理方法，其中该方法包括下述步骤：（1）将热交换法生产的浅红色或粉色白宝石晶体清洗后置于以硅碳棒为加热元件的电阻炉内，垫板采用高纯刚玉陶瓷托盘或者白宝石晶体垫板；电阻炉具备适当的空气气氛或氧气气氛，炉腔内的温度均匀性偏差小于±5℃，升降温温度速率由微电脑自动控制，精度偏差小于±2℃；（2）在电阻炉的温度控制仪上设定高温处理的温度控制程序，具体参数流程：从室温开始采用升温120～400℃/小时的速率升温到1200～1300℃，恒温12～48小时，恒温结束后采用降温200～400℃/小时的速率将炉温降至室温，取出白宝石晶体。

上述的消除热交换法生产白宝石晶体色心的低温处理方法中，步骤（1）所述的清洗白宝石晶体为采用超声波清洗。

上述的消除热交换法生产白宝石晶体色心的低温处理方法中，步骤（1）所述的将白宝石晶体置于电阻炉内，具体为放置在电阻炉内的中心位置，不能紧靠或接触加热棒。

上述的消除热交换法生产白宝石晶体色心的低温处理方法中，步骤（2）所述的将炉温降至室温具体为：待炉温温度小于50℃后，打开炉门，待自然冷却到室温时，打开炉门保温盖板，取出白宝石晶体。

本发明采用上述方法后，通过1200～1300℃的高温处理后，热交换法生长的白宝石晶体的色心吸收已被消除，晶体光学透过率得到提高，透过率大于60%，解决了热交换法生产的白宝石晶体，在其峰值吸收位于206nm、226nm 和256nm时存在色心缺陷的问题，使得白宝石晶体在上述光学波段处采用热交换法生产时的光学透过率得到大幅度提高；透过率问题的解决，解除了白宝石晶体材料在206nm、226nm 和256nm光学波段的光学价值和应用的限制。

具体实施方式

    下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明，但并不构成对本发明的任何限制。

本发明的一种消除热交换法生产白宝石晶体色心的低温处理方法，该方法包括下述步骤：（1）将热交换法生产的浅红色或粉色白宝石晶体采用超声波清洗后，放置在以硅碳棒为加热元件的电阻炉内的中心位置，不能紧靠或接触加热棒，垫板采用高纯刚玉陶瓷托盘或者白宝石晶体垫板，然后依次关闭电阻炉的保温炉门盖板和炉门；电阻炉具备适当的空气气氛或氧气气氛，炉腔内的温度均匀性偏差小于±5℃，升降温温度速率由微电脑自动控制，精度偏差小于±2℃；（2）在电阻炉的温度控制仪上设定高温处理的温度控制程序，具体参数流程：从室温开始采用升温120～400℃/小时的速率升温到1200～1300℃，恒温12～48小时，恒温结束后采用降温200～400℃/小时的速率将炉温降低，待炉温温度降至小于50℃后，打开炉门，待自然冷却到室温时，打开炉门保温盖板，取出白宝石晶体。白宝石晶体无色透明，将白宝石晶体切割、研磨、抛光后，测定了高温处理前后的光学透过率，极大得提高了白宝石晶体在206nm处的光学透过率。

    实验例

采用3个样品厚度均为1.93mm的白宝石晶体，使用相同的设备，样品1低温处理参数为：1200℃，恒温12小时；样品2低温处理参数为：1250℃，恒温30小时；样品3低温处理参数为：1300℃，恒温48小时。

经分光光度计测定结果：

样品1在206nm处的光学透过率在退火前为4.695%，退火后透过率为84.054%，在226nm处的光学透过率在退火前为63.670%，退火后透过率为84.592%。

样品2在206nm处的光学透过率在退火前为6.696%，退火后透过率为85.898%，在226nm处的光学透过率在退火前为69.165%，退火后透过率为85.823%。

样品3在206nm处的光学透过率在退火前为5.684%，退火后透过率为85.083%，在226nm处的光学透过率在退火前为66.325%，退火后透过率为85.286%。

经实验得出结论：本发明的方法可以极大地提高热交换法生产的白宝石的质量，有效拓展白宝石晶体的应用范围和提高市场价值。

Claims (4)

1.一种消除热交换法生产白宝石晶体色心的低温处理方法，其特征在于，该方法包括下述步骤：（1）将热交换法生产的浅红色或粉色白宝石晶体清洗后置于以硅碳棒为加热元件的电阻炉内，垫板采用高纯刚玉陶瓷托盘或者白宝石晶体垫板；电阻炉具备适当的空气气氛或氧气气氛，炉腔内的温度均匀性偏差小于±5℃，升降温温度速率由微电脑自动控制，精度偏差小于±2℃；（2）在电阻炉的温度控制仪上设定高温处理的温度控制程序，具体参数流程：从室温开始采用升温120～400℃/小时的速率升温到1200～1300℃，恒温12～48小时，恒温结束后采用降温200～400℃/小时的速率将炉温降至室温，取出白宝石晶体。

2.根据权利要求1所述的消除热交换法生产白宝石晶体色心的低温处理方法，其特征在于，步骤（1）所述的清洗白宝石晶体为采用超声波清洗。

3.根据权利要求1所述的消除热交换法生产白宝石晶体色心的低温处理方法，其特征在于，步骤（1）所述的将白宝石晶体置于电阻炉内，具体为放置在电阻炉内的中心位置，不能紧靠或接触加热棒。

4.根据权利要求1所述的消除热交换法生产白宝石晶体色心的低温处理方法，其特征在于，步骤（2）所述的将炉温降至室温具体为：待炉温温度小于50℃后，打开炉门，待自然冷却到室温时，打开炉门保温盖板，取出白宝石晶体。