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次世代のサファイア結晶成長技術

公開日: : 最終更新日:2017/05/30 まめ知識

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以前ご紹介した合成宝石についての記事では一般的に見られる合成宝石の種類をご紹介いたしました。今回は、サファイアに焦点を絞った合成宝石素材について触れていきます。
宝石素材を合成することにおいて初めて急進展を経験した後、現在の技術者はさらに大きくて完璧な結晶の需要を満たすために次世代の技術を開発しています。初期の火炎溶融法によって成長させたサファイアの多くは、次世代の高度な成長技術のための高純度な原料として使用されています。

工業的利用されるサファイア

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大型サファイアの結晶は、様々な方法を用いて工業的に製造され、大まかに溶液成長と溶融成長とに分類されます。溶液成長では、その融点以下の温度で結晶を生成するために、熱水や他の化学物質(フラックス)のような溶媒が使用されます。溶融成長は、酸化アルミニウムをるつぼの中で融点(2040℃)まで上昇させることで達成されます。特別に配向(分極した分子から成る系が電場の中に置かれたときに、その分極の向きが電場の方向にそろうこと)された種結晶(シード)から始まり、るつぼ内の溶融物の一部を引き上げることによってまたは溶融物を一方的に冷却すること(勾配徐冷)によって、大きな結晶が形成されます。業界は、大きくて指向性のある結晶を必要としているので、ここでは溶融技術に焦点を置きます。

チョクラルスキー法成長技術

1960年、チョクラルスキー法成長技術が初めてサファイアに適用されました。この技術は1918年に導入され、るつぼ内の溶融液から結晶を回転させて引き上げるものです。この技術は、純度および欠陥という両方の観点において最高品質の結晶を生成することができるので、サファイヤや多種多様なその他の結晶質素材(シリコンを含む)にとって今日でも非常に重要な技術です。これらの製品の品質は主に、精密に制御された成長速度によって生まれます。この成長速度の制御は、加熱に用する電力を質量制御フィードバックループに基づき、注意深く調整することによって可能になります。
チョクラルスキー法が非常に貴重とされる別の要因は、「ドープ」結晶に意図的に加えた不純物の分布を制御する能力があることに起因します。これは、全体の溶融物を徐冷するのではなく、溶融液のごく一部のみを除去することによって可能になります。

EDF法成長技術

EDF法成長技術は、1962年に初めてサファイアに適用されました。この技術は、溶融したサファイアを成形機を通して引き上げることにより、チューブ、シート、その他の非常に特徴的な形状の生成を可能にしました。幅広いエンドユーザーに対する防護サファイアウィンドウの需要が増加しているので、この技術はさらに高度化されると予想されます。

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水平指向性凝固法

1964年、カチック・バグダサロフは、結晶がるつぼの一方から他方に凝固させる特殊な温度勾配徐冷技術を導入しました。これが「水平指向性凝固法」です。バグダサロフ教授は、現在でもサファイアやその他の結晶を生成するためにこのプロセスを使用しています。1967年には、フレデリック・シュミットが様々な結晶の大型インゴットを製造するための別の温度勾配凝固法である熱交換方式を導入しました。この技術では、光学的品質においての最高級のサファイアがいくつか生成されており、現在はアドバンスト・サファイア・ファーネスというブランド名でこの技術に基づいて炉を製造しているGTアドバンスト・テクノロジーズがその技術を所有しています。

カイロポウロス成長法

チョクラルスキー法および温度勾配凝固技術の両方の側面を組み合わせるカイロポウロス成長法は、1980年に初めてサファイアに適用されました。この方法はチョクラルスキー法と同様、溶融物と接触させたシードを回転させますが、シード結晶を溶融液から引き出すことはしません。代わりに、るつぼ内部の溶融物は非常制御された方法で冷却されます。カイロポウロス法は、最大100kgにもおよぶ非常に大きい高品質のサファイアの結晶を生成されるので、広範囲な用途にしようされています。


引用参考 合成宝石素材入門

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