[发明专利]掺铁钛蓝宝石晶片及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于透明光学晶体材料领域，特别是涉及一种掺铁钛蓝宝石晶片及其制备方法。 

背景技术

蓝宝石晶片具有优越的综合性能，首先它具有超高的硬度和极低的摩擦系数，自然界仅仅次于金刚石；它在超宽波段（300nm～5000nm）具有高光学透过性能；并且，蓝宝石单晶具有优异的抗酸碱腐蚀能力，一般酸碱常温下甚至熔融状态下都无法被侵蚀。故蓝宝石单晶作为高端屏幕材料的商业化应用便应运而生，但是蓝宝石晶片在作为屏幕材料时，其常温下在外界弯曲应力作用下，通常会发生r面孪晶而导致晶片出现典型解理断裂，导致其晶片（120×55×0.6mm³）的四点弯曲强度通常为500～1200MPa范围，难以满足现代高力学强度屏幕材料的要求，限制了蓝宝石晶片更广领域的应用和发展。蓝宝石晶片r面孪晶导致的解理开裂，是脆性断裂的一种形式，它起源于r面孪晶后位错的塞积作用而引发的应力集中，从而导致r面典型的脆性解理断裂。基于蓝宝石晶片这种力学性能的缺陷，科研人员曾经提出过多种解决方法，比如美国专利US5702654，通过在蓝宝石晶片表面形成一层镁铝尖晶石第二相来达到强化作用，虽然该方法可以一定程度上提高蓝宝石的弯曲强度，但是仅仅通过表面改性的办法来达到强化的目的是不够的，并且表面第二相会降低蓝宝石晶体的光谱透过性能。而美国专利US6222194B1，采用快中子辐照强化蓝宝石晶片，当经1×10¹⁸neutrons/cm²的快中子辐照后，由于快中子辐照阻碍了孪晶的形成，故晶体的c轴强度大大提高。但该方法由于高昂的成本，无法开展规模化的产业应用。

然而在晶体生长过程中掺入一定含量的杂质离子，由于杂质离子的固溶作用，使得杂质离子周围发生晶格畸变，可以显著地阻碍蓝宝石r面孪晶的发生，从而强化了蓝宝石晶片的力学性能。具有这种强化作用的掺质离子主要有同价态的Ti³⁺(0.76?)、Cr³⁺(0.69 ?)、Fe³⁺(0.64 ?)等，均可以取代半径更小的基质离子Al³⁺(0.53?)，半径相差越大强化作用越强。而Ti³⁺和Cr³⁺固溶进入蓝宝石晶格，均会发生可见光光谱的吸收，导致晶体的着色，大大降低了晶体的光谱透过性能，但Ti³⁺氧化变成Ti⁴⁺后不会发生光谱的吸收，故Fe³⁺和Ti⁴⁺是强化蓝宝石晶片的理想掺质离子。不过掺质离子在晶体生长过程中会发生分凝现象，导致晶体的掺杂离子分布不均匀，这是目前生长掺质蓝宝石晶体的难点。

导模法又称为边缘限定-薄膜供料（Edge-Definde,Film-Fed Growth,简称EFG）法，主要用于生长特定形状晶体的生长，比如片状窗口晶体，其特征为：首先，由于EFG法生长晶体的过程中，熔体在毛细管中对流作用非常弱，晶体在生长过程中由分凝现象排出的溶质，只有靠扩散向熔体主体中运动，因此该方法容易得到成分均匀的掺杂蓝宝石晶片。其次是晶体生长速度快，晶体尺寸可以精确控制，简化晶体加工程序，降低生产成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种掺铁钛蓝宝石晶片及其制备方法，以获得高弯曲强度、优良光学性能商业化的蓝宝石屏幕材料。

本发明的技术解决方案为：

一种掺铁钛蓝宝石晶片,其特征在于，采用纯度为99.999% 的Al₂O₃基质原料，光谱纯掺质原料Fe₂O₃和TiO₂，其中掺入的铁、钛元素含量分别为100ppm～3000ppm和100ppm～1000ppm，得到掺铁钛蓝宝石晶片表示为Ti,Fe:α-Al₂O₃。

掺铁钛蓝宝石晶片，其特点是掺杂的铁、钛元素含量分别为100ppm～3000ppm和100ppm～1000ppm，表示为Ti,Fe:α-Al₂O₃，该晶片无色透明、掺质均匀，其切割抛光后尺寸为120×55×0.6mm³的晶片四点弯曲强度高于1500MPa，300nm～5000nm范围的光谱透过率达到85%。

掺铁钛蓝宝石晶片的制备方法，其特征在于，包括下列步骤：