消除熱交換法生產白寶石晶體色心的低溫處理方法
2023-06-08 12:08:16
專利名稱：消除熱交換法生產白寶石晶體色心的低溫處理方法
技術領域：
本發明涉及一種白寶石晶體的處理方法，更具體地說，尤其涉及一種消除熱交換法生產白寶石晶體色心的低溫處理方法。
背景技術：
白寶石(Al2O3,純氧化招單晶體，也稱監寶石)由於具有聞強度、聞硬度、耐聞溫、耐磨擦、化學穩定性好，紫外-紅外透過率高、電絕緣性能優良等一系列優良的物化性能，所以白寶石晶體不僅是光電子領域的重要基礎材料，如GaN外延生長的商業化襯底，佔市場95%以上，大規模集成電路襯底、超導襯底、鐵電襯底，而且是軍事領域重要的光學材料，如高速飛彈整流罩、紅外分析儀、夜視儀、偵察儀和制導儀多光譜寬波段窗口、飛機的光電吊艙、二代導航衛星用星載氫原子鐘白寶石微波諧振腔材料、高能雷射器輸出窗口材料和雷射引力波幹涉儀上的光學材料等。白寶石晶體的方法生長几乎覆蓋了所有的人工晶體生長方法如火焰法、水熱法、坩堝下降法、導模法、水平區熔法、提拉法、溫梯法、泡生法和熱交換法等。
由於白寶石晶體的熔點高達2050° C，生長極其困難，直徑200mm以上的白寶石晶體主要有泡生法和熱交換法，熱交換法是目前世界上穩定生長最大尺寸和最高光學質量的白寶石晶體的唯一方法，其量產白寶石晶體重量突破115公斤，直徑達15英寸。熱交換法生產白寶石晶體採用石墨電阻發熱體為加熱元件。由於石墨材料在2050° C生長溫度的揮發，造成實際生長氣氛為弱還原性氣氛，在這樣的缺氧弱還原性生長條件下，白寶石晶體由於氧空位的存在導致晶體存在206nm處的色心吸收。色心(colorcenter)是指透明晶體中由點缺陷、點缺陷對或點缺陷群捕獲電子或空穴而構成的一種可導致可見光譜區的光吸收的缺 陷。色心缺陷是熱交換法生產的白寶石晶體中常見的缺陷。由於色心缺陷捕獲電子的狀態不同，白寶石晶體不同程度地存在顏色。人們對於白寶石Al2O3晶體中的F、F+和F2+等各種色心進行了深入的研究，認為Al2O3晶體由於在聞溫缺氧條件下生長，在晶體內存在大量氧空位。在熱交換法生產的Al2O3晶體因在高溫弱還原性氣氛的生長條件下，形成較多的氧離子空位V,，氧離子空位Vf的形成能為3.5ev，氧離子間隙、鋁離子空位、鋁離子間隙的形成能分別為10.5ev,9.lev, 10.Sev0利用極化點離子模型計算出Al2O3晶體內各種空位和間隙的遷移能，氧空位遷移能為2.9ev, Al3+間隙位的遷移能為5ev，Al3+空位沿C軸和垂直於C軸的遷移能分別為6.6ev和3.8ev,因此從熱力學和動力學的角度分析，可以認為在Al2O3晶體中氧離子空位Vf是最容易產生、遷移，也是最多的點缺陷。當氧離子空位Vx '2_俘獲一個自由電子便形成ν'2_ (F+心)，即Vx '2_+θ=Vx02^(F+),若俘獲兩個自由電子便形成Vxxq2-(F心)，即VxxQ2_+2e= V'Q2_(F)。F色心的吸收峰為203nm，F+色心存在兩個吸收峰，分別對於226nm和256nm。正是由於上述各種色心或複合色心缺陷的存在，導致熱交換法生產的白寶石晶體一般呈現粉色或淺紅色。
發明內容
本發明的目的在於提供一種操作方便、處理效果良好且質量穩定的消除熱交換法生產白寶石晶體色心的低溫處理方法。本發明的技術方案是這樣實現的:一種消除熱交換法生產白寶石晶體色心的低溫處理方法，其中該方法包括下述步驟:(1)將熱交換法生產的淺紅色或粉色白寶石晶體清洗後置於以矽碳棒為加熱元件的電阻爐內，墊板採用高純剛玉陶瓷託盤或者白寶石晶體墊板；電阻爐具備適當的空氣氣氛或氧氣氣氛，爐腔內的溫度均勻性偏差小於±5°c，升降溫溫度速率由微電腦自動控制，精度偏差小於±2°C ; (2)在電阻爐的溫度控制儀上設定高溫處理的溫度控制程序，具體參數流程:從室溫開始採用升溫120 400°C /小時的速率升溫到1200 1300°C，恆溫12 48小時，恆溫結束後採用降溫200 400°C /小時的速率將爐溫降至室溫，取出白寶石晶體。上述的消除熱交換法生產白寶石晶體色心的低溫處理方法中，步驟(I)所述的清洗白寶石晶體為採用超聲波清洗。上述的消除熱交換法生產白寶石晶體色心的低溫處理方法中，步驟(I)所述的將白寶石晶體置於電阻爐內，具體為放置在電阻爐內的中心位置，不能緊靠或接觸加熱棒。上述的消除熱交換法生產白寶石晶體色心的低溫處理方法中，步驟(2)所述的將爐溫降至室溫具體為:待爐溫溫 度小於50°C後，打開爐門，待自然冷卻到室溫時，打開爐門保溫蓋板，取出白寶石晶體。本發明採用上述方法後，通過1200 1300°C的高溫處理後，熱交換法生長的白寶石晶體的色心吸收已被消除，晶體光學透過率得到提高，透過率大於60%，解決了熱交換法生產的白寶石晶體，在其峰值吸收位於206nm、226nm和256nm時存在色心缺陷的問題，使得白寶石晶體在上述光學波段處採用熱交換法生產時的光學透過率得到大幅度提高；透過率問題的解決，解除了白寶石晶體材料在206nm、226nm和256nm光學波段的光學價值和應用的限制。
具體實施例方式下面結合具體實施例對本發明作進一步的詳細說明，但並不構成對本發明的任何限制。本發明的一種消除熱交換法生產白寶石晶體色心的低溫處理方法，該方法包括下述步驟:(1)將熱交換法生產的淺紅色或粉色白寶石晶體採用超聲波清洗後，放置在以矽碳棒為加熱元件的電阻爐內的中心位置，不能緊靠或接觸加熱棒，墊板採用高純剛玉陶瓷託盤或者白寶石晶體墊板，然後依次關閉電阻爐的保溫爐門蓋板和爐門；電阻爐具備適當的空氣氣氛或氧氣氣氛，爐腔內的溫度均勻性偏差小於±5°c，升降溫溫度速率由微電腦自動控制，精度偏差小於±2°C; (2)在電阻爐的溫度控制儀上設定高溫處理的溫度控制程序，具體參數流程:從室溫開始採用升溫120 400°C /小時的速率升溫到1200 1300°C，恆溫12 48小時，恆溫結束後採用降溫200 400°C /小時的速率將爐溫降低，待爐溫溫度降至小於50°C後，打開爐門，待自然冷卻到室溫時，打開爐門保溫蓋板，取出白寶石晶體。白寶石晶體無色透明，將白寶石晶體切割、研磨、拋光後，測定了高溫處理前後的光學透過率，極大得提高了白寶石晶體在206nm處的光學透過率。
實驗例
採用3個樣品厚度均為1.93mm的白寶石晶體，使用相同的設備，樣品I低溫處理參數為:1200°C，恆溫12小時；樣品2低溫處理參數為:1250°C，恆溫30小時；樣品3低溫處理參數為:1300°C，恆溫48小時。經分光光度計測定結果:
樣品I在206nm處的光學透過率在退火前為4.695%，退火後透過率為84.054%，在226nm處的光學透過率在退火前為63.670%，退火後透過率為84.592%。樣品2在206nm處的光學透過率在退火前為6.696%，退火後透過率為85.898%，在226nm處的光學透過率在退火前為69.165%，退火後透過率為85.823%。樣品3在206nm處的光學透過率在退火前為5.684%，退火後透過率為85.083%，在226nm處的光學透過率在退火前為66.325%，退火後透過率為85.286%。經實驗得出結論:本發明的方法可以極大地提高熱交換法生產的白寶石的質量，有效拓展白寶石晶體的應用範圍和提 聞市場價值。
權利要求
1.一種消除熱交換法生產白寶石晶體色心的低溫處理方法，其特徵在於，該方法包括下述步驟:(I)將熱交換法生產的淺紅色或粉色白寶石晶體清洗後置於以矽碳棒為加熱元件的電阻爐內，墊板採用高純剛玉陶瓷託盤或者白寶石晶體墊板；電阻爐具備適當的空氣氣氛或氧氣氣氛，爐腔內的溫度均勻性偏差小於±5°c，升降溫溫度速率由微電腦自動控制，精度偏差小於±2°C ; (2)在電阻爐的溫度控制儀上設定高溫處理的溫度控制程序，具體參數流程:從室溫開始採用升溫120 400°C /小時的速率升溫到1200 1300°C，恆溫12 48小時，恆溫結束後採用降溫200 400°C /小時的速率將爐溫降至室溫，取出白寶石晶體。
2.根據權利要求1所述的消除熱交換法生產白寶石晶體色心的低溫處理方法，其特徵在於，步驟(I)所述的清洗白寶石晶體為採用超聲波清洗。
3.根據權利要求1所述的消除熱交換法生產白寶石晶體色心的低溫處理方法，其特徵在於，步驟(I)所述的將白寶石晶體置於電阻爐內，具體為放置在電阻爐內的中心位置，不能緊靠或接觸加熱棒。
4.根據權利要求1所述的消除熱交換法生產白寶石晶體色心的低溫處理方法，其特徵在於，步驟(2)所述的將爐溫降至室溫具體為:待爐溫溫度小於50°C後，打開爐門，待自然冷卻到室溫時，打 開爐門保溫蓋板，取出白寶石晶體。
全文摘要
本發明公開了一種消除熱交換法生產白寶石晶體色心的低溫處理方法；屬於白寶石晶體生產工藝技術領域，其技術要點包括下述步驟(1)將熱交換法生產的白寶石晶體清洗後置於以矽碳棒為加熱元件的電阻爐內；電阻爐具備適當的空氣氣氛或氧氣氣氛，爐腔內的溫度均勻性偏差小於±5℃，升降溫溫度速率的精度偏差小於±2℃；(2)從室溫開始採用升溫120～400℃/小時的速率升溫到1200～1300℃，恆溫12～48小時，恆溫結束後採用降溫200～400℃/小時的速率將爐溫降至室溫，取出白寶石晶體。本發明旨在提供一種操作方便、處理效果良好且質量穩定的消除熱交換法生產白寶石晶體色心的低溫處理方法；用於消除白寶石晶體的色心。
文檔編號C30B33/02GK103233269SQ20131014112
公開日2013年8月7日 申請日期2013年4月23日 優先權日2013年4月23日
發明者周國清, 繆志峰 申請人:廣東賽翡藍寶石科技有限公司