蓝宝石晶体的检测(二)

摘要：  蓝宝石晶体的检测

关键字：  蓝宝石晶体，  检测

2 蓝宝石晶体的结构缺陷

实际上，所有天然的和人工合成的晶体都不是理想的完整晶体。晶体在生长过程中，不可避免地受到不同程度的外界复杂因素的影响。因此，晶体不可能按理想的方式发育。在实际晶体的内部构造中，质点的排列并不严格地服从空间格子规律，而是存在各种缺陷，诸如空位、双晶、滑移、位错等。

晶体中的缺陷存在会严重影响晶体的性质，有些是决定性的，甚至有时可以把晶体本身看成是缺陷的基质。例如，半导体的导电性质几乎完全是由外来的杂质原子和缺陷所决定的。蓝宝石、氯化钾、氟化锂等晶体中掺杂形成的缺陷决定了它成为激光工作物质。多种金属离子掺人晶体决定其成为具有各种色彩的装饰宝石。当然，由于缺陷存在，也导致晶体结构的完整受到破坏，影响成为有用的晶体材料。

晶体结构上的缺陷一般分为点缺陷、线缺陷、面缺陷和体缺陷四种。

(1)点缺陷

理想晶体中的一些原子、离子被外来原子、离子所代替，或者在品格间隙中掺人原子、离子，或者留有原子、离子空位。所有这些都破坏了有规律的周期性排列，引起质点间势场的畸变，造成晶体结构的不完整。但这种不完整仅仅局限在原于或者离子位置，称为点缺陷。

点缺陷又可分为三类：晶体缺陷，如空位和间隙原子;组成缺陷，即杂质原子;电子缺陷。

①晶体缺陷 当晶体的温度高于热力学零度时，原子吸收热能而运动。运动形式是围一个平衡位置的振动(平衡位置与理想晶体的位置相当)。温度越高，平均热能越大，振动的幅度也越大。由于热起伏，当某些原子的能量足够大时，甚至可以脱离开它的平衡位置，在原来的位置上形成一个空位，造成缺陷，如图2-1所示.这种形式的缺陷称为热缺陷。它可以分成弗伦克尔缺陷和肖特基缺陷两种。

在晶体中几种缺陷可以同时存在，但通常必有一种是主要的。一般来说，正负离子半径差不大时，肖特基缺陷是主要的。两种离子半径相差很大时，弗伦克尔是主要的。在蓝宝晶体Al3+和02-的半径相差较大，因此弗伦克尔缺陷为主要。

②组成缺陷 杂质原子或叫掺杂原子，其量一般少于0.1%。它们进入晶体后，因与固有原子的性质不同，不仅破坏了原子有规则的排列，而且使杂质离子周围的周期势场引起改变，形成缺陷。杂质原子可分间隙型及置换型两种。前者是杂质原子跑到固有原子点阵间隙中，后者是杂质原子代替了固有原子，如图2-2所示。

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③电子缺陷 这种缺陷主要存在于半导体材料。

点缺陷在实践中具有重要意义。在硅酸盐工艺中，有大量的烧成、烧结和固相反应过程。这些过程和原子在晶体内或表面上的运动有关。因此，热缺陷能加速这些过程。由于热陷的存在，使某些晶体变成有颜色。间隙离子能阻止格面相互的滑移，使晶体的强度增加，如蓝宝石晶体中加有少量的钛的目的就是在于此。

(2)线缺陷(位错)

实际晶体在结晶时，受到杂质、温度变化或振动产生的应力作用，或者由于晶体受到打击、切削、研磨等，械应力的作用，使晶体内部质点排列变形，原子行列相互滑移，而不再符合理想晶体的有秩序的排列，形成线状缺陷，称位错。图2-3表示晶面上局部发生滑移的情况。晶体受压缩作用后使A′B′EFGH滑移了一个原子间距，质点滑移面和未滑移面的交界是一条线EF， 称位错线。在这条线上的原子配位和其他原子不同，因此它是一种缺陷。它的特性是滑移方向和位错线EF垂直，一般称棱位错或刃位错，用⊥垂直符号代表，垂线指向额外平面。

对于离子晶体位错比较复杂。另一种位错(图8—20)是由于剪应力的作用使晶面相互滑移，也可看成是局部滑移C的边界，其特点是位错线和滑移方向是相互平行的，如图中位错线AD和滑移方向是平行的。由于和位错线AD垂直的面不是水平的，而是像螺旋形，故而称螺旋位错，用符号带箭头中心一实心点表示。

由于位错线附近的原子的排列是缺乏规则的，在位错的周围产生应力场和应变能。位错周围存在应变有利于杂质离子(或原子)聚集在位错线附近。位错可以在垂直滑移面方向运动，称为爬移运动。在实际晶体生长时，可利用它来消灭位错，位错吸附扩散来的空穴和间隙原子，一面交换位置，一面移到表面来。位错相互之间还会起作用。多个异向的位错的相互作用，由于作用力是吸引力，最后导致位错消灭，变成完整晶体。利用位错可以说明许多现象和晶体的许多性质如塑性变形.晶体生长快的原因之一，就是晶体中有螺旋位错的存在。

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晶体位错的研究方法，通常用光学显微镜、X射线衍射、电子衍射和电子显微镜等技术进行直接观察或间接测定。例如，衡量单品质量好坏的位错密度(指单位体积内全部位错线的总长)通常用简便的方法来测定。设一个长度为L，截面为A的单晶，其中有N条位错线。如果每条位错线长和L相当，则位错密度等于n1/Al=n/A，这就是说，位错密度可以用单位截面上的错露头的数目表示。因此，用光学显微镜观察晶体位错的腐蚀坑数目，再除以视场面积后，就可以求出位错密度。

焰熔法生长的蓝宝石晶体的位错密度大，一般在107～108cm-2，引上法生长在l04～105 cm-2。用气相、区熔、熔剂、水热等方法生长时，位错密度≤l03 cm-2。温梯法生长时位错密度在102～104cm-2。

蓝宝石晶体的位错观察，可先将样品进行机械抛光。然后在420℃下用磷酸进行化学抛光，消除机械加工痕迹。最后在320℃磷酸或KOH溶液中腐蚀5min左右。腐蚀坑形状如图2-5(a)、(b)所示。图中腐蚀坑就是错位露头，蚀坑数除以视场面积，就得位错密度。

(3)面缺陷(镶嵌)

实际晶体往往不是理想的单晶体，而是由许多结合得并不十分严密的微小品粒构成的聚集体。这些晶粒边长约1nm，粒和粒之间不是公共面，而公共棱，互相间仅是以数秒到0.5°的微小角度倾斜着。可以认为，各晶粒互相取向基本上是平行的，如此的晶体构造称“镶嵌构造”。形成原因是单晶在生长过程中受应力或表面张力作用。很明显，这样的构造也是一种缺陷。它和线缺陷不同，可以看成由许多同向位错线构成一个单面，称“镶嵌界面缺陷”或称“小角度晶界”。这种缺陷导致镶嵌块之间有微小角度之差。

还有一种面缺陷是结晶过程开始时形成许多晶核，当进一步长大时，形成相互交错接触，成为多晶体。其中各小晶体的晶面取向互不相同。这种界面缺陷称“大角度晶界”。界面处晶面的交角不像镶嵌缺陷那样小，D值减小，好似位错靠得很近，以致达到原子数量级。由此认为界面处原子(或离子)排列是带有无定形的。

在生长单晶时，经常由于温度梯度的存在以及温度控制不当，造成了热应力，而热应力的大小直接影响位错密度的大小。位错密度可由下式表示

此式表明，温度梯度愈大，位错密度愈大。α是膨胀系数，b是柏格矢量的称量，即品格晶距。镶嵌界面缺陷由一系列同向位错构成。当单晶受力弯曲时，造成塑性变形，晶体内各层也产生一系列同向位错。极小的弯曲会造成大量位错的产生。弯曲造成的位错密度由下式决定

式中，R为晶体弯曲的曲率半径。