[發明專利]摻鐵鈦藍寶石晶片及其制備方法

有效

• 申請號: 201310008435.6
• 申請日: 2013-01-10
• 公開（公告）號: CN103014856A
• 公開（公告）日: 2013-04-03
• 發明（設計）人: 胡克艷;王慶國;錢兵;朱燁;汪紅衛
• 申請（專利權）人: 蘇州巍邇光電科技有限公司
• 主分類號: C30B29/20
• 分類號: C30B29/20;C30B15/34
• 代理公司: 南京縱橫知識產權代理有限公司 32224
• 代理人: 董建林

技術領域

本發明屬于透明光學晶體材料領域，特別是涉及一種摻鐵鈦藍寶石晶片及其制備方法。?

背景技術

藍寶石晶片具有優越的綜合性能，首先它具有超高的硬度和極低的摩擦系數，自然界僅僅次于金剛石；它在超寬波段（300nm～5000nm）具有高光學透過性能；并且，藍寶石單晶具有優異的抗酸堿腐蝕能力，一般酸堿常溫下甚至熔融狀態下都無法被侵蝕。故藍寶石單晶作為高端屏幕材料的商業化應用便應運而生，但是藍寶石晶片在作為屏幕材料時，其常溫下在外界彎曲應力作用下，通常會發生r面孿晶而導致晶片出現典型解理斷裂，導致其晶片（120×55×0.6mm³）的四點彎曲強度通常為500～1200MPa范圍，難以滿足現代高力學強度屏幕材料的要求，限制了藍寶石晶片更廣領域的應用和發展。藍寶石晶片r面孿晶導致的解理開裂，是脆性斷裂的一種形式，它起源于r面孿晶后位錯的塞積作用而引發的應力集中，從而導致r面典型的脆性解理斷裂。基于藍寶石晶片這種力學性能的缺陷，科研人員曾經提出過多種解決方法，比如美國專利US5702654，通過在藍寶石晶片表面形成一層鎂鋁尖晶石第二相來達到強化作用，雖然該方法可以一定程度上提高藍寶石的彎曲強度，但是僅僅通過表面改性的辦法來達到強化的目的是不夠的，并且表面第二相會降低藍寶石晶體的光譜透過性能。而美國專利US6222194B1，采用快中子輻照強化藍寶石晶片，當經1×10¹⁸neutrons/cm²的快中子輻照后，由于快中子輻照阻礙了孿晶的形成，故晶體的c軸強度大大提高。但該方法由于高昂的成本，無法開展規模化的產業應用。

然而在晶體生長過程中摻入一定含量的雜質離子，由于雜質離子的固溶作用，使得雜質離子周圍發生晶格畸變，可以顯著地阻礙藍寶石r面孿晶的發生，從而強化了藍寶石晶片的力學性能。具有這種強化作用的摻質離子主要有同價態的Ti³⁺(0.76?)、Cr³⁺(0.69??)、Fe³⁺(0.64??)等，均可以取代半徑更小的基質離子Al³⁺(0.53?)，半徑相差越大強化作用越強。而Ti³⁺和Cr³⁺固溶進入藍寶石晶格，均會發生可見光光譜的吸收，導致晶體的著色，大大降低了晶體的光譜透過性能，但Ti³⁺氧化變成Ti⁴⁺后不會發生光譜的吸收，故Fe³⁺和Ti⁴⁺是強化藍寶石晶片的理想摻質離子。不過摻質離子在晶體生長過程中會發生分凝現象，導致晶體的摻雜離子分布不均勻，這是目前生長摻質藍寶石晶體的難點。

導模法又稱為邊緣限定-薄膜供料（Edge-Definde,Film-Fed?Growth,簡稱EFG）法，主要用于生長特定形狀晶體的生長，比如片狀窗口晶體，其特征為：首先，由于EFG法生長晶體的過程中，熔體在毛細管中對流作用非常弱，晶體在生長過程中由分凝現象排出的溶質，只有靠擴散向熔體主體中運動，因此該方法容易得到成分均勻的摻雜藍寶石晶片。其次是晶體生長速度快，晶體尺寸可以精確控制，簡化晶體加工程序，降低生產成本。

發明內容

本發明的目的在于提供一種摻鐵鈦藍寶石晶片及其制備方法，以獲得高彎曲強度、優良光學性能商業化的藍寶石屏幕材料。

本發明的技術解決方案為：

一種摻鐵鈦藍寶石晶片,其特征在于，采用純度為99.999%?的Al₂O₃基質原料，光譜純摻質原料Fe₂O₃和TiO₂，其中摻入的鐵、鈦元素含量分別為100ppm～3000ppm和100ppm～1000ppm，得到摻鐵鈦藍寶石晶片表示為Ti,Fe:α-Al₂O₃。

摻鐵鈦藍寶石晶片，其特點是摻雜的鐵、鈦元素含量分別為100ppm～3000ppm和100ppm～1000ppm，表示為Ti,Fe:α-Al₂O₃，該晶片無色透明、摻質均勻，其切割拋光后尺寸為120×55×0.6mm³的晶片四點彎曲強度高于1500MPa，300nm～5000nm范圍的光譜透過率達到85%。

摻鐵鈦藍寶石晶片的制備方法，其特征在于，包括下列步驟：