CN110042469B - 一种花色碳化硅宝石的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种花色碳化硅宝石的制备方法，通过使用图形化碳化硅单晶衬底，衬底背面粘在石墨坩埚顶部上盖内层，石墨坩埚内放入高纯碳化硅原料，石墨坩埚放入晶体生长炉中，采用物理气相传输法晶体生长系统，晶体生长温度在1800℃‑2600℃，其中衬底温度在2300℃以下，原料温度大于2300℃，氩气氛下生长，反应室内气压在1‑4kPa之间，生长时间在60小时以上，得到碳化硅晶体作为碳化硅宝石原料，经过宝石加工，可获得黄绿、褐绿等花色碳化硅宝石。

Description

一种花色碳化硅宝石的制备方法

技术领域

本发明涉及一种碳化硅宝石制备方法，具体涉及一种花色碳化硅宝石的制备方法。

背景技术

晶体材料是常见的宝石原料，作为宝石材料的完美外在体现主要表现为折射率、硬度、物理化学稳定性等特质。宝石的闪光度主要由折射率体现，硬度则体现宝石的抗损坏能力，物理化学稳定性是确保宝石长期佩戴和保存无变化。

碳化硅宝石又被称为莫桑石，发现至今已有100多年，天然碳化硅晶粒于1905年首次被发现，合成碳化硅晶体于1891年由美国人Acheson在实验过程中意外发现。碳化硅是一种无机化合物，共价性较强，熔点高、硬度大，在使用过程中不易被磨损，不易被腐蚀。碳化硅晶体的折射率在2.6-2.7之间，其莫氏硬度高达9.25。而且碳化硅热稳定性好，除非在极高的温度下，一般加热不足以破坏碳化硅的晶体结构。

众所周知，钻石具有迷人的外观，但存量稀少，对其替代品的寻找由来已久，如玻璃、尖晶石、锆石等。玻璃折射率低，无天然火彩，抛光效果不好，锆石硬度低，容易切割，但切割线不够尖锐，其他替代品也有着或多或少的问题，直到碳化硅宝石的出现。1998年，碳化硅宝石开始用于仿制钻石，目前已在市面上流通，逐渐受到大众的青睐。碳化硅宝石由于掺杂杂质或自身缺陷而表现出不同的色泽，一般为绿色、淡黄色、黑色或灰色，近无色的则较难制得，其作为装饰品在替代钻石方面取得了良好效果，甚至表现出优于钻石的优秀特性。碳化硅宝石透明度良好，目前已经可以合成大尺寸、高质量的碳化硅宝石。碳化硅宝石具有比钻石更高的折射指数、色散指数以及光泽度，从装饰性能角度来看，碳化硅宝石在一定程度上具有优势，其在火彩效果上表现得尤为明显，同样的光照条件下，碳化硅宝石呈现出更加美丽缤纷的火彩效果。此外，碳化硅宝石的市场价格较低，随着技术的进步，高质量、大尺寸的碳化硅宝石的生产成本也会逐渐降低，碳化硅宝石供应商甚至可以根据客户需求制造出指定颜色形状的碳化硅宝石。

当前，物理气相传输法是制备大尺寸碳化硅晶体的常用方法。其基本步骤是将碳化硅粉料作为原料放入密封的圆筒形石墨坩埚内，坩埚顶部上盖内侧放置一个圆形碳化硅晶片作为籽晶。石墨坩埚放入加热炉内，加热至1800℃-2600℃左右，保持轴向温度梯度20-50℃/厘米，高温区的碳化硅粉料升华产生硅、硅二碳、硅碳二等气相分子，在温度梯度作用下传输到低温区的碳化硅籽晶表面沉积结晶生长为大尺寸碳化硅晶体。生长得到的大尺寸碳化硅晶体通过切割、研磨、抛光等一系列的宝石加工工艺，最终得到形态、尺寸各异的碳化硅宝石。

各种颜色碳化硅宝石可以通过控制生长晶体的晶型或晶体生长过程中掺入不同杂质离子而实现。如绿色碳化硅宝石可以通过掺氮得到，掺钒则可以得到淡黄或香槟色碳化硅宝石，非故意掺杂情况下，4H-和15R-碳化硅宝石偏暗黄色，而6H-碳化硅宝石则偏绿色。通过控制生长因素得到的彩色碳化硅宝石一般是同一颜色，很难得到同时具有两种以上颜色的花色碳化硅宝石。

发明内容

发明目的：针对上述问题，本发明提供了一种花色碳化硅宝石的制备方法，通过使用图形化碳化硅单晶衬底，将图形化碳化硅单晶衬底硅面固定在石墨坩埚上盖内侧面，图形化的碳面与碳化硅粉料原料相对，当封闭的石墨坩埚放入加热炉中进行碳化硅晶体生长，生长温度控制在1800℃-2600℃，生长压力1-4kPa，温度梯度20-50℃/厘米，生长时间60小时以上，即可得到花色碳化硅晶体；得到的碳化硅晶体可以直接用做花色碳化硅宝石原料，进行后期的宝石加工。

技术方案：为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种花色碳化硅宝石的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：

(1)使用的碳化硅单晶衬底生长面为图形化处理后，所述碳化硅单晶衬底硅面为平面结构，碳面为波浪纹形或台阶形开孔结构，将所述碳化硅单晶衬底的平面结构一面固定在石墨坩埚上盖内顶部；

(2)高纯碳化硅粉料放于石墨坩埚内底部，坩埚上盖与碳化硅粉料相对放置，封闭放入加热炉进行碳化硅晶体生长，石墨坩埚放入加热炉后，炉腔密封抽真空，通入惰性气体，所述加热炉的加热线圈围绕在坩埚外围对坩埚进行加热，通过线圈和坩埚位置调节获得合适的热场；

(3)碳化硅晶体生长过程中，采用物理气相传输法晶体生长系统，其生长温度保持在1800℃-2600℃，其中衬底温度在2300℃以下，原料温度大于2300℃，生长压力保持1-4kPa，炉内气压由惰性气体控制，生长时间在60小时以上；

(4)高纯碳化硅粉料高温下升华生成硅、硅二碳、硅碳二等气相组分形态，这些气相组分在低温区的图形化碳化硅衬底上生长成为碳化硅晶体；

(5)得到碳化硅晶体作为碳化硅宝石原料，经过宝石加工，可获得黄绿、褐绿等花色碳化硅宝石。

进一步的，所述步骤(1)中，所述图形化碳化硅单晶衬底的平面为碳化硅单晶的(0001)硅面，图形化处理面为碳化硅单晶的(000-1)碳面。

进一步的，所述步骤(1)中，所述图形化碳化硅单晶衬底的开孔形状包括条纹形、波浪纹形、圆锥形、三棱锥形、圆弧形、方形。

进一步的，所述步骤(1)中，所述图形化碳化硅单晶衬底的开孔结构的开孔深度为1μm-5μm，条纹或图形宽度2μm-8μm，条纹或图形间距2μm-8μm。

进一步的，所述步骤(1)中，所述图形化碳化硅单晶衬底的材质为4H-碳化硅单晶或6H-碳化硅单晶。

进一步的，所述步骤(1)中，将所述图形化碳化硅单晶衬底的平面结构一面通过粘结或者机械方式固定在坩埚上盖内。

进一步的，所述步骤(2)中，所述加热炉为中频感应加热或电阻加热。

进一步的，所述步骤(3)中，所述惰性气体为氩气。

有益效果：本发明提供了一种花色碳化硅宝石的制备方法，通过使用图形化碳化硅单晶衬底，该单晶衬底硅面固定在坩埚上盖内侧，碳面即图形化面与碳化硅粉料原料相对放置，将石墨坩埚放入加热炉中进行碳化硅晶体生长，生长温度在1800℃-2600℃之间，生长压力控制在1-4kPa，得到的碳化硅晶体作为宝石原料，进行后期宝石加工制作，即可得到花色碳化硅宝石。

本发明的原理如下：碳化硅晶体生长通常继承籽晶的晶型结构，对于浅黄色4H-晶型碳化硅晶体通常在碳面生长，所以本发明选择籽晶生长面为碳面。图形化开孔结构区域则是与生长方向垂直或倾斜一定角度，碳化硅晶体在这些区域生长则易于生成偏绿色的6H-晶型或浅褐色的15R-晶型结构。因而通过选择图形化籽晶衬底生长碳化硅晶体，即可获得花色碳化硅宝石原料。

附图说明

图1是本发明的工作示意图。

其中，1、绝热材料，2、加热线圈，3、图形化碳化硅衬底，4、石墨坩埚，5、碳化硅原料。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以使本领域的技术人员能够更好的理解本发明的优点和特征，从而对本发明的保护范围做出更为清楚的界定。本发明所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

针对现有技术中存在的上述困难，本发明提供了一种花色碳化硅宝石的制备方法，通过使用图形化碳化硅单晶衬底，该单晶衬底硅面固定在石墨坩埚上盖内侧面，碳面即图形化面与碳化硅粉料原料相对放置；将封闭的石墨坩埚放入加热炉中进行碳化硅晶体生长，生长温度在1800℃-2600℃范围，生长压力控制在1-4kPa，生长时间60小时以上，得到的碳化硅晶锭直接用做碳化硅宝石原料，经过后期的宝石加工，即可得到花色碳化硅宝石。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种花色碳化硅宝石的制备方法，包括以下步骤：

(1)使用的碳化硅单晶衬底3生长面为图形化处理后，所述碳化硅单晶衬底硅面为平面结构，碳面为波浪纹形或台阶形开孔结构，将所述碳化硅单晶衬底的平面结构一面固定在石墨坩埚4上盖内顶部。

根据本发明的具体实施例，所述图形化碳化硅单晶衬底的材质和图形化开孔结构的具体形状不受具体限制。根据本发明具体的一些实施例，所述图形化碳化硅单晶衬底的材质为碳化硅单晶片，晶型为4H-、6H-、15R-或其它α型结构碳化硅单晶片。所述图形化碳化硅单晶衬底的开孔形状包括但不限于条纹形、波浪纹形、圆锥形、三棱锥形、圆弧形、方形；所述图形化碳化硅单晶衬底的开孔结构的开孔深度为1μm-5μm，条纹或图形宽度2μm-8μm，条纹或图形间距2μm-8μm。

根据本发明的具体实施例，所述图形化碳化硅单晶衬底与坩埚上盖内侧面之间的固定方式不受具体限制。根据本发明具体的一些实施例，所述图形化碳化硅单晶衬底的硅面通过机械方式或者粘结方式固定在坩埚上盖内侧面。由此，通过使用图形化碳化硅单晶衬底，该单晶衬底硅面固定在坩埚上盖内侧面，图形化碳面与碳化硅粉料原料相对放置，经过60小时以上的晶体生长，得到的碳化硅晶体可以直接作为宝石原料，经过后期的宝石加工，即可得到花色碳化硅宝石。

(2)碳化硅粉料原料5放于石墨坩埚4内底部，与图形化碳化硅单晶衬底相对放置，封闭的石墨坩埚放入加热炉中进行碳化硅晶体生长。根据本发明的具体实施例，石墨坩埚放入加热炉后，炉腔密封抽真空，通入惰性气体，所述加热炉的加热线圈2围绕在坩埚外围对坩埚进行加热，通过线圈和坩埚位置调节获得合适的热场。

(3)在碳化硅晶体生长过程中，生长温度保持在1800℃-2600℃范围，生长压力控制在1-4kPa，同时，炉内通入惰性气体。根据本发明的具体实施例，所述惰性气体为氩气。

(4)碳化硅粉料原料受热升华生成硅、硅二碳、硅碳二等气相组分形态，这些气相组分在温度梯度作用下逐步在低温区图形化碳化硅单晶衬底表面沉积生长，得到碳化硅晶体。

由此，本发明提供了一种花色碳化硅宝石的制备方法，当石墨坩埚放入加热炉中进行碳化硅晶体生长，生长温度1800℃-2600℃，生长压力1-4kPa，得到的碳化硅晶锭直接用做碳化硅宝石原料，经过后期宝石加工，可以得到花色碳化硅宝石。

本发明的原理如下：碳化硅晶体生长通常继承籽晶的晶型结构，对于浅黄色4H-晶型碳化硅晶体通常在碳面生长，所以本发明选择籽晶生长面为碳面。图形化开孔结构区域则是与生长方向垂直或倾斜一定角度，碳化硅晶体在这些区域生长则易于生成偏绿色的6H-晶型或浅褐色的15R-晶型结构。因而通过选择图形化籽晶衬底生长碳化硅晶体，即可获得花色碳化硅宝石原料。

在本说明书的描述中，参考术语“实施例”、“具体实施例”、“一些实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、材料、结构或者特点包含于本发明的至少一个实施例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例。而且，描述的具体特征、材料、结构或者特点可以在任何的一个或多个实施例中以合适的方式结合。

尽管给出和描述了本发明的实施例，本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种花色碳化硅宝石的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：

(1)使用的碳化硅单晶衬底生长面为图形化处理后，所述碳化硅单晶衬底硅面为平面结构，碳面为波浪纹形或台阶形开孔结构，将所述碳化硅单晶衬底的平面结构一面固定在石墨坩埚上盖内顶部；

(2)高纯碳化硅粉料放于石墨坩埚内底部，坩埚上盖与碳化硅粉料相对放置，封闭放入加热炉进行碳化硅晶体生长，石墨坩埚放入加热炉后，炉腔密封抽真空，通入惰性气体，所述加热炉的加热线圈围绕在坩埚外围对坩埚进行加热，通过线圈和坩埚位置调节获得合适的热场；

(3)碳化硅晶体生长过程中，采用物理气相传输法晶体生长系统，其生长温度保持在1800℃-2600℃，其中衬底温度在2300℃以下，原料温度大于2300℃，生长压力保持1-4kPa，炉内气压由惰性气体控制，生长时间在60小时以上；

(4)高纯碳化硅粉料高温下升华生成硅、硅二碳、硅碳二气相组分形态，这些气相组分在低温区的图形化碳化硅衬底上生长成为碳化硅晶体；

(5)得到碳化硅晶体作为碳化硅宝石原料，经过宝石加工，可获得黄绿、褐绿花色碳化硅宝石。

2.如权利要求1所述的花色碳化硅宝石的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述图形化碳化硅单晶衬底的平面为碳化硅单晶的(0001)硅面，图形化处理面为碳化硅单晶的(000-1)碳面。

3.如权利要求1所述的花色碳化硅宝石的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述图形化碳化硅单晶衬底的开孔形状包括条纹形、波浪纹形、圆锥形、三棱锥形、圆弧形、方形。

4.如权利要求1所述的花色碳化硅宝石的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述图形化碳化硅单晶衬底的开孔结构的开孔深度为1μm-5μm，条纹或图形宽度2μm-8μm，条纹或图形间距2μm-8μm。

5.如权利要求1所述的花色碳化硅宝石的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述图形化碳化硅单晶衬底的材质为4H-、6H-、15R-或其它α型碳化硅单晶。

6.如权利要求1所述的花色碳化硅宝石的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，将所述图形化碳化硅单晶衬底的平面结构一面通过粘结或者机械方式固定在坩埚上盖内。

7.如权利要求1所述的花色碳化硅宝石的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述加热炉为中频感应加热或电阻加热。

8.如权利要求1所述的花色碳化硅宝石的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，所述惰性气体为氩气。

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