年产1140吨2～6英寸蓝宝石晶体制造项目可行性研究报告

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年产1140吨2～6英寸LED蓝宝石

晶体制造项目

可行性研究报告

目录

第一章总论 (5)

第一节项目背景 (5)

第二节编制依据和原则 (11)

第三节可行性报告编制的工作范围 (12)

第四节研究简要结论 (12)

第五节对有关问题的说明 (13)

第六节主要技术经济指标 (13)

第二章需求预测 (17)

第一节需求情况预测 (17)

第二节产品价格的分析 (27)

第三节产品竞争力分析 (27)

第三章生产规模及产品方案 (29)

第四章工艺技术方案 (31)

第一节概述 (31)

第二节生产工艺流程 (33)

第三节主要设备选用 (36)

第五章原辅材料的供应 (38)

第六章建设条件和选址方案 (40)

第一节地区（厂址）地理位置 (40)

第二节地区（厂址）自然环境 (41)

第三节建厂地区经济现状 (42)

第四节公用工程基础设施情况 (43)

第五节当地施工和协作条件 (44)

第七章工程设计方案 (45)

第一节总平面布局 (45)

第二节建筑结构 (47)

第三节电力工程 (49)

第四节给排水及暖通工程 (51)

第八章环境保护 (53)

第一节设计依据 (53)

第二节主要污染源及其治理措施 (54)

第九章职业安全卫生 (58)

第一节工程建设的安全卫生要求 (58)

第二节生产过程中存在的职业危害因素 (58)

第三节安全生产所采取的主要防范措施 (59)

第四节职业安全、卫生管理及教育 (59)

第十章消防与节能 (60)

第一节消防 (60)

第二节节能 (61)

第十一章工厂组织和劳动定员 (66)

第一节工厂组织 (66)

第二节生产班制及定员 (66)

第三节人员的来源 (67)

第十二章项目实施规划 (68)

第一节实施计划 (68)

第二节项目实施管理、人员培训 (70)

第十三章投资估算及资金筹措 (72)

第十四章财务评价 (74)

第一节财务评价依据 (74)

第二节产品成本 (75)

第三节财务评价 (76)

第十五章结论 (79)

第一章总论

第一节项目背景

1.1.1项目名称、项目建设单位、负责人、建设地址

项目名称：年产1140吨2～6英寸蓝宝石晶体制造项目

项目建设单位：某蓝宝石晶体有限公司

项目负责人：

项目地址：**市经济技术开发区某工业园区

1.1.2项目建设单位、建设背景、投资的必要性和意义

1、项目建设单位概况

某蓝宝石晶体有限公司是由某光能股份有限公司投资建设的，主要经营新能源技术开发、产品生产、经营。

某光能股份有限公司由某光电科技有限公司改制而成，注册资金5568万元，位于##新芜经济开发区，占地面积112亩，是专业生产太阳能单晶硅棒和切片、太阳能电池等高科技产品的国家级高新技术企业，拥有省级企业技术中心，目前正处于上市辅导期。

企业拥有众多发明专利，生产的产品被认定为##省高新技术产品，研发的科技成果先后获得**市科技进步二等奖、##省科技成果奖、##省科技进步三等奖，同时企业被认定为##省第三批创新试点企业、##省**市大中专院校“实习基地”。

公司生产设备齐全，工艺先进,技术力量雄厚，检测手段完善。

拥有先进的加工设备、检测设备，年产700吨单晶硅。

公司奉行以人为本的管理理念，本着“让每个客户满意的目标而努力，高品质的和一流的服务”的经营宗旨，培养造就一支素质优良、经验丰富、技术娴熟的职工队伍。公司按照ISO9000的质量管理体系标准公司认真贯彻执行ISO9001：2000质量体系，严把质量关，使企业一直保持良好的发展势头。

面对市场竞争，公司坚持走产、学、研相结合的道路，以科技兴厂，在技术创新上，以远瞻性和超前意识高起点开发新产品，在长期生产实践中与国内多所著名院校、相关科研院所建立了良好的技术协作关系，并聘请多名教授、高级科研人员为科技顾问，为企业发展、产品定位、新产品开发提供决策参考。企业研究开发投入占企业年销售收入比例5.3%。

公司制定了5年发展规划和10年发展战略目标，未来向年通过不断追加投资，购臵设备，完善从单晶硅生产到太阳能光伏电池产业链，使公司做成国内一流的光伏企业，为中国的太阳能产业作出贡献。

公司成立以来，发展十分迅速，为扩大产业链，助力企业进步，公司于2011年股东会议上，一致同意投入153000万元在**经济开发区，分批分期建设蓝宝石晶棒制造项目。

2、项目建设背景

半导体发光二极管(LED)是一种新型全固态照明器件。它具有能源利用率高、低电压低电流工作，色彩丰富、寿命长、可靠性高和绿色环保等优点，是新一代的节能照明产品。太阳能是一种既丰富又无

污染的可再生能源，它的最重要应用领域就是通过太阳能电池将光能转化为电源，即太阳能光伏产业。太阳能电池与LED的集成应用实现了开发新能源与环保节能的完美结合。近年来，世界各国特别是发达国家都十分重视LED和光伏技术的开发和综合应用。

LED是目前世界上最先进的照明技术。LED灯并非灯丝加灯泡的“老面孔”，而是以半导体芯片为材料的固态光源。它利用电子移动来发光，直接把电能转换成光能，其耗电量仅为传统灯泡的十分之一，使用寿命却是传统灯泡的100倍。一个普通节能灯寿命在5000小时以上，是白炽灯的5倍，优质节能灯使用一年左右就可以收回成本，而大功率LED光源寿命达5万小时以上，几乎不存在维修成本，一次性投入的回报更大、更明显。

目前，我国照明消耗约占整个电力消耗的20％，在当前能源极度稀缺的情况下，降低照明用电是节省能源的重要途径。据调研测算，截至2010年，如果我国现有的三分之一照明光源采用LED灯，可以节电1500亿度，每度按0．8元计算，可以节约1200亿元。按照现有电力能源结构估算，相当于减排2500万至4320万吨二氧化碳，减少二氧化硫排放135万吨。

从2003年6月开始，我国科技部启动了“国家半导体照明工程”计划，该计划明确提出“半导体照明工程”项目在“十一五”的战略目标是：解决半导体照明市场急需的产业化关键技术，建立完善的技术创新体系与特色产业集群，完善半导体照明产业链，形成我国具有国际竞争力的半导体照明新兴产业。2008年由财政部、国家发展改革

委联合发布《高效照明产品推广财政补贴资金管理暂行办法》，国家将以财政补贴方式，在“十一五”期间大力推广节能灯只。2009年5月，同意在天津市、上海市、广东省深圳市、广东省东莞市等21个城市开展半导体照明应用工程(以下简称“十城万盏”)试点工作。2009年9月22日国家发改委发布了《半导体节能照明产业发展意见》，对我国半导体照明产业的发展目标进行了规划：到2015年，半导体照明节能产业产值年均增长率在30％左右；产品市场占有率逐年提高，功能性照明达到20％左右，液晶背光源达到50％以上，景观装饰等产品市场占有率达到70％以上；企业自主创新能力明显增强，大型MOCVD装备、关键原材料以及70％以上的芯片实现国产化，上游芯片规模化生产企业3-5家；产业集中度显著提高，拥有自主品牌、较大市场影响力的骨干龙头企业10家左右：初步建立半导体照明标准体系；实现年节电400亿千瓦时，相当于年减排二氧化碳4000万吨。

从LED原材料配套上看，蓝宝石、GaAa(砷化镓)、SiC(碳化硅)等晶体材料国内均有一些研究单位在开发，并有少量企业在生产，但产业规模普遍较少。

蓝宝石因其优异的物理性能，在各行业得到广泛应用。

LED制造产业链如下：

蓝宝石衬底有高技术门槛和高资本门槛的特点，

长朗以来被少数几家国外厂商所控制，由于受到欧美国家对高新技术的出口限制，即使是购买了设备，其关键工艺不对中国各户输出，这在客观上造成中国LED 产业长期只能在中下游以劳动力的成本的比较优势争取微薄的利润。截至2009年，中国大概有3000家企业集中在LED 应用行业，LED 产业链在中下游的竞争日益加剧，而在产业的上游却鲜有成功的国内企业。

为此某蓝宝石晶体有限公司在**市经济技术开发区某工业园区投资年产1140吨2～4英寸蓝宝石晶体制造项目——高品质人工晶体材料，完全符合市场发展的需要，正是提高企业经济效益和社会效益的大好机会。同时本项目采用了新工艺、新技术、新设备，降低了能耗，节约了用水，对再生资源进行了开发利用，项目达到了环保的要求，积极推进了清洁生产技术，实现了生产全过程的环保控制，走上了一条可持续发展道路。

3、投资的必要性和意义

（1） 实施本项目有利于节约社会能源

国家发改委工信部提出，“十二五”节能减碳目标为：2015年单位工业增加值能耗、二氧化碳排放量分别比“十一五”末降低20%左

右、20%以上，以保持经济平稳较快发展，积极应对全球气候变化。

目前，我国照明消耗约占整个电力消耗的20％，在当前能源极度稀缺的情况下，降低照明用电是节省能源的重要途径。据调研测算，截至2010年，如果我国现有的三分之一照明光源采用LED灯，可以节电1500亿度，每度按O．8元计算，可以节约1200亿元。按照现有电力能源结构估算，相当于减排2500万至4320万吨二氧化碳，减少二氧化硫排放135万吨。

因此，本项目建设有利于节约社会能源，符合国家实现“十二五”节能减排约束性目标，加快建设资源节约型的要求。

（2）本项目符合国家产业政策

本项目属于国家发改委颁布的《产业结构调整指导目录（2011本）》“鼓励类”十二、建材”中的“8、信息、新能源、国防、航天航空等领域用高品质人工晶体材料、制品和器件生产装备技术开发；高纯石英原料、石英玻璃材料及其制品制造技术开发与生产；航天航空等领域所需的特种玻璃制造技术开发与生产”及第二十八信息产业的第42条“半导体照明衬底、外延、芯片、封转及其材料等。”条目。（3）项目建设有利于增强现代产业集群，为地方经济发展做出积极贡献。

LED产业关联度大、渗透性强。LED产业的快速发展，对其它电子信息产业的拉动作用明显，尤其是手机、数码产品、家用电器、笔记本电脑、电视等消费电子领域由于高亮度LED的导入应用而带动其产品升级和技术革命，同时这些产业又为LED提供了巨大的市场，促进

LED产业的发展。LED产业在户内外显示屏、液晶背光、车用照明、道路照明等方面具有广阔的市场，对灯饰、广告、显示、电路、封装、新材料以及相关设备制造等产业都将产生强大的引领拉动作用。照明级高亮度蓝、绿光LED芯片的产业化和国产化，将为室内通用照明、路灯、隧道灯、信号灯照明等应用冲破技术门槛、降低成本以及拓宽市场普及面带来更多机会，直接推动相关产业的发展。

此外，本项目的建设还能带动包装、运输等间接就业机会。可见，项目建设的区域幅射作用较强。

综上所述，本项目的建设符合国家节能环保政策，符合产业政策，技术先进，市场前景广阔。项目建设是企业获得进一步发展的迫切需要，将促进企业调整产品结构、加快产业升级，进一步降低生产成本，提高企业的市场竞争力，积极有效地参与国内外竞争，巩固企业的行业龙头地位，使企业能继续保持较高的增长速度和稳定的赢利水平，创造良好的经济效益和社会效益。因此，项目的建设是十分必要的。

第二节编制依据和原则

1.2.1编制依据

（1）项目可行性研究报告委托书；

（2）《产业结构调整指导目录（2011年本）》；

（3）国务院《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）》（4）中共##省委《##省十二五规划》

（5）国务院办公厅《“十二五”节能减排综合性工作方案》（国发…2011?

26号）

（6）《投资项目可行性研究指南》；

（7）建设项目经济评价《方法与参数》（第三版）；

（8）建设单位提供的技术资料；

（9）国家和省、市有关部门颁发的政策、法规及定额等。

1.2.2编制原则

1.严格按照规定的可行性研究报告编制的标准进行设计，选用国产先进设备，力争新建工厂在设施上达到国内领先水平。

2.编制中考虑到工厂将来的发展，各基础设施有一定的预留量，为将来的发展打下基础。

3.厂房的布局、设备的选用体现合理、先进、实用的原则。

第三节可行性报告编制的工作范围

项目可行性研究将就项目的意义和必要性、项目产业关联度分析、项目技术先进性、拟建规模、物料供应、生产协作、项目建设设计方案、总图、物流、仓贮、土建工程、公用工程、环保、消防、节能、项目投资估算、资金筹措、财务计算和经济评价等主要问题，进行分析，提出建设性意见和建议，并提供项目可行性研究报告书。

第四节研究简要结论

(1)设计中所采用的工艺成熟、设备先进、布局合理，能满足要求。

(2)建设项目中产品质量好、结构合理、适销对路，原材料周边地区

厂家可供，产、供、销均无问题。

(3)项目建成投产后，三废排放均能达到排放标准，对周围环境不会

造成不利影响。

(4)项目的建成，将促进当地相关行业的发展。

(5)该项目建设投资为154320万元，全投资财务内部收益率（税后）达到4757％，投资回收期（税后）3.9年。故该工程项目在经济上是可行的，并具有一定的抗风险能力。

(6)从生产工艺、品种结构、经济效益、环境影响等各方面综合分析，该工程项目是可行的。

第五节对有关问题的说明

1.本可行性研究设计中，未考虑运输工具及车辆。

2.厂界区外水、电设施费用未列入总投资，由当地政府有关部门具体实施，要求同步进行。

第六节主要技术经济指标

1、建设规模与产品方案

（1）建设规模

根据市场需求，并考虑企业的实际生产状况及发展规划，本项目的建设规模为引进长晶炉、定向仪、掏棒机等先进设备，最终形成年产1140吨2～6英寸蓝宝石晶体生产能力。

（2）产品方案

根据对目前国内外市场的调查，考虑企业的生产情况和发展规划，本项目建成投产后，产品方案为：年产1140吨2～6英寸蓝宝石晶体。

2、主要原辅材料消耗

根据产品方案，本项目生产所需原、辅材料主要为三氧化二铝碎晶、配套材料、包装材料等。

3、生产及配套设施

（1）土建

公司拟在**市经济技术开发区某工业园区新征土地146520m2(折合220亩)，建设新厂区，用地符合城市发展规划和土地利用总体规划。新建生产厂房、仓库、检测中心、行政办公楼、食堂及质检楼、辅助车间、动力车间、变电所等建构筑物，新增建筑面积合计90000m2。（2）供电

本项目由35kV总变电所引来一路10kV线路，用交联电力电缆埋地接至各生产厂房的10/0.4~0.23kV 变配电室。

（3）给排水

项目自来水水源由市政自来水提供，供水压力0.3MPa，从市政管路中引入2根管径DN200的给水管，在厂区内形成环状管网，本项目采用生产、生活、消防合用制系统。

厂区按规范设臵室内外消火栓系统。各建筑物内按规范合理配备建筑灭火器。

本项目排水系统采用雨污分流、清污分流。生产废水进废水处理站处理后排入厂区污水管网，生活污水中粪便类污水经化粪池处理后排入厂区污水管网，再接至市政污水管网，最终送污水处理厂集中处理。

（4）、通风

对蓝宝石晶棒生长车间产生有高温废气的工艺设备设臵机械通风，废气经过工艺设备自带废气处理装臵的处理后，由排风机排出室外，达标排放。

4、投资估算与资金筹措

项目固定资产投资为137320万元。流动资金为17000万元。总投资为154320万元。

5、财务评价及经济分析

项目年均销售收入为456000万元，年均销售税金及附加为2482万元，年均增值税为24820万元，年均利润总额121382万元，年均所得税30345万元，年均净利润为91036万元，全部投资税后财务内部收益率47.57%，投资回收期3.99年，贷款偿还期2.82年，总投资收益率74.68%，产量盈亏平衡点 16.11%。

6、主要技术经济指标

项目的主要技术经济指标见表1-3。

表1-3 项目的主要技术经济指标

第二章需求预测

第一节需求情况预测

（一）供求关系及需求分析

蓝宝石（Al203）单晶又称蓝宝石，是一种简单配位型氧化物晶体。蓝宝石晶体具有优异的光学性能、机械性能和化学稳定性，强度高、硬度大、耐冲刷，可在接近2000℃高温的恶劣条件下工作，因而被广泛的应用于红处军事装臵、卫星空间技术、高强激光的窗口材料。其独特的晶格结构、优异的力学性能、良好的热学性能使蓝宝石晶体成为实际应用的半导体发光二极管（LED），大规模集成电路SOI 和SoS及超导纳米结构薄膜等最为理想的衬底材料。

LED的GaN基衬底材料比较多，如硅、碳化硅、GaAS、A1N等，但能商品化的衬底目前只有蓝宝石和碳化硅，而碳化硅价格最贵、指供应不足导致市场份额有限，蓝宝石为主导产品，全球80%LED企业采用蓝宝石衬底。

1、LED应用需求增长强劲

LED 有着广阔的应用空间，广泛应用于指示灯、LCD 屏幕背光源、景观照明、通用照明、大型显示屏、交通信号灯、汽车照明应用等领域，并将逐步取代传统的照明方式，进入大众日常生活的方方面面。特别是在笔记本电脑、液晶电视、路灯、汽车、商业照明等领域，LED 产品的渗透率和出货量的增长速度将不断加快。

近几年LED的发展得益于LED背光应用，从而导致了LED芯片供

应的紧张。事实上，LED作为新型光显示、光存储、光照明、光探测的核心器件，可以促进上千亿美元的产业链形成。

表3 不同白光LED的比较

资料来源：Nomura

来自国家半导体照明工程研发及产业联盟消息，2009年国内半导体照明应用产值达到600亿元，同比增长33%，其中景观装饰照明达到140亿元，LED全彩显示屏120亿元、路灯及室内射灯照明75亿元、手机等便携式电子65亿元、LCD背光60亿元、交通信号灯35亿元、指示灯25亿元、汽车应用产品12亿元，其他应用产品68亿元。LED背光和照明在2010年的增长明显，正在逐步成为我国半导体照明的主要应用领域。

图4 2009年中国LED下游应用市场结构

资料来源：CSA

2、拥有战略性新兴产业的广阔市场前景

据半导体照明工程研发及产业联盟统计，2008年我国LED芯片产值增长26%达到19亿元，2008年LED封装产值达到185亿元，增长率10%，产品结构逐步改善，高亮产品比例达到76%。应用方面，2008年，LED应用产值为450亿元，增长率50%。随着奥运会等重大示范工程的成功，中国LED应用在国际金融危机下呈逆市上扬态势。国内LED产业2001年-2008年年平均复合增长率为29%，2008年-2012年预测为24%，而高亮度LED的年平均复合增长率2002年-2008年为35%，2008年-2012年为33%。到2012年，全球高亮LED市场规模将达到92亿美元，年平均复合增长率19%，整个LED市场规模将达到136亿美元。2008年国内LED封装900亿只，芯片国产化率46%，而大功率和表贴LED芯片的国产化率仅分别为3%和12%。

面对LED照明市场的良好前景和巨大诱惑，全球正在为LED这个

新兴产业的广阔市场前景，展开一场抢占市场制高点的争夺战。美国、日本、欧盟、韩国、我国台湾地区等相继推出半导体照明计划，以加大研究开发力度。比如日本投资50亿日元推行“21世纪光计划”，提出2006年将用半导体灯大规模替代传统白炽灯；美国能源部设立了有13个国家重点实验室、公司和大学参加的“半导体照明国家研究项目”，计划用10年时间，耗资5亿美元开发半导体照明；欧盟则委托6个大公司、2所大学，于2000年7月启动了“彩虹计划”；我国台湾地区也在组织实施相关计划，设立了有16个生产科研和大学参加的“21世纪照明光源开发计划”。

我国也在2003年底紧急启动了“十五”国家科技攻关计划“半导体照明产业化技术开发”重大项目（简称国家半导体照明工程），使我国半导体照明工程进入实质性推进阶段。国内LED行业也正处于高速发展阶段，目前来华投资LED的公司也逐渐多起来。

3、形成了推动LED产业爆发式增长的强大动力

LED路灯及商用照明市场。LED户外照明如路灯是受政府政策推广影响较为直接而快速的产品，路灯应用可望成为LED照明产业中快速成长的第一棒，尤其以占有全球38%户外照明的中国市场为最。2009年以来，随着国家“十城万盏”项目的启动，LED路灯市场进入了快速发展的轨道，国内的潜在市场规模可达到上千亿的水平。

液晶显示屏背光市场。由于耗电量较低，且体积小、显色性好及环保的优点，LED已取代冷阴极灯管(CCFL)成为笔记本电脑背光源主流，市场调查机构DisplaySearch乐观预估，2009年LED 笔记本电

纳米材料综述要点

纳米材料综述 一、基本定义 1990年7月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩举办，标志着 纳米科学技术的正式诞生。 1、纳米 纳米是一种长度单位，1纳米=1×10-9米，即1米的十亿分之一，单位符 号为 nm。 2、纳米技术 纳米技术是在单个原子、分子层次上对物质的种类、数量和结构形态进行 精确的观测、识别和控制的技术，是在纳米尺度范围内研究物质的特性和 相互作用，并利用这些特性制造具有特定功能产品的多学科交叉的高新技 术。其最终目标是人类按照自己的意志直接操纵单个原子、分子，制造出 具有特定功能的产品。 纳米技术的发展大致可以划分为3个阶段： 第一阶段(1990年即在召开“Nano 1”以前主要是在实验室探索各种纳米粉体的制备手段，合成纳米块体(包括薄膜，研究评估表征的方法，探索纳米材料的特殊性能。研究对象一般局限于纳米晶或纳米相材料。 第二阶段 (1990年～1994年人们关注的热点是设计纳米复合材料： ?纳米微粒与纳米微粒复合(0-0复合， ?纳米微粒与常规块体复合(0-3复合， ?纳米复合薄膜(0-2复合。 第三阶段(从1994年至今纳米组装体系研究。它的基本内涵是以纳米颗粒 以及纳米丝、管等为基本单元在一维、二维和三维空间组装排列成具有纳米结构的体系的研究。 3、纳米材料 材料基本构成单元的尺寸在纳米范围即1~100纳米或者由他们形成的材料就称为纳米 材料。纳米材料和宏观材料迥然不同，它具有奇特的光学、电学、磁学、热学和力学等方面的性质。

图1 纳米颗粒材料SEM图 二、纳米材料的基本性质 由于纳米材料是由相当于分子尺寸甚至是原子尺寸的微小单元组成，也正因为这样，纳米材料具有了一些区别于相同化学元素形成的其他物质材料特殊的物理或是化学特性例如：其力学特性、电学特性、磁学特性、热学特性等，这些特性在当前飞速发展的各个科技领域内得到了应用。科学家们和工程技术人员利用纳米材料的特殊性质解决了很多技术难题，可以说纳米材料特性促进了科技进步和发展。 1、力学性质 高韧、高硬、高强是结构材料开发应用的经典主题。具有纳米结构的材料强度与粒径成反比。纳米材料的位错密度很低，位错滑移和增殖符合Frank-Reed模型，其临界位错圈的直径比纳米晶粒粒径还要大，增殖后位错塞积的平均间距一般比晶粒大，所以纳米材料中位错滑移和增殖不会发生，这就是纳米晶强化效应。金属陶瓷作为刀具材料已有50多年历史，由于金属陶瓷的混合烧结和晶粒粗大的原因其力学强度一直难以有大的提高。应用纳米技术制成超细或纳米晶粒材料时，其韧性、强度、硬度大幅提高，使其在难以加工材料刀具等领域占据了主导地位。使用纳米技术制成的陶瓷、纤维广泛地应用于航空、航天、航海、石油钻探等恶劣环境下使用。 2、热学性质 纳米材料的比热和热膨胀系数都大于同类粗晶材料和非晶体材料的值，这是由于界面原子排列较为混乱、原子密度低、界面原子耦合作用变弱的结果。因此在储热材料、纳米复合材料的机械耦合性能应用方面有其广泛的应用前景。例如Cr-Cr2O3颗粒膜对太阳光有强烈的吸收作用，从而有效地将太阳光能转换为热能。 3、电学性质 由于晶界面上原子体积分数增大，纳米材料的电阻高于同类粗晶材料，甚至发生尺寸诱导金属——绝缘体转变（SIMIT）。利用纳米粒子的隧道量子效应和库仑堵塞效应制成的纳米电子器件具有超高速、超容量、超微型低能耗的特点，有可能在不久的将来全面取代目前的常规半导体器件。2001年用碳纳米管制成的纳米晶体管，表现出很好的晶体三极管放大特性。并根据低温下碳纳米管的三极管放大特性，成

蓝宝石生长方法

一、蓝宝石生长 1.1 蓝宝石生长方法 1.1.1 焰熔法Verneuil (flame fusion) 最早是1885年由弗雷米（E. Fremy）、弗尔（E. Feil） 和乌泽（Wyse）一起，利用氢氧火焰熔化天然的红宝石粉末 与重铬酸钾而制成了当时轰动一时的“ 日内瓦红宝石”。后 来于1902年弗雷米的助手法国的化学家维尔纳叶（Verneuil） 改进并发展这一技术使之能进行商业化生产。因此，这种方 法又被称为维尔纳叶法。 1）基本原理 焰熔法是从熔体中生长单晶体的方法。其原料的粉末在 通过高温的氢氧火焰后熔化，熔滴在下落过程中冷却并在种 晶上固结逐渐生长形成晶体。 2）合成装置与条件、过程 焰熔法的粗略的说是利用氢及氧气在燃烧过程中产生 高温，使一种疏松的原料粉末通过氢氧焰撒下焰融，并落在 一个冷却的结晶杆上结成单晶。下图是焰熔生长原料及设备 简图。这个方法可以简述如下。图中锤打机构的小锤7按一 定频率敲打料筒，产生振动，使料筒中疏松的粉料不断通过 筛网6，同时，由进气口送进的氧气，也帮助往下送粉料。 氢经入口流进，在喷口和氧气一起混合燃烧。粉料在经过高温火焰被熔融而落在一个温度较低的结晶杆2上结成晶体了。炉体4设有观察窗。可由望远镜8观看结晶状况。为保持晶体的结晶层在炉内先后维持同一水平，在生长较长晶体的结晶过程中，同时设置下降机构1，把结晶杆2缓缓下移。 焰熔法合成装置由供料系统、燃烧系统和生长系统组成，合成过程是在维尔纳叶炉中进行的。 A.供料系统 原料：成分因合成品的不同而变化。原料的粉末经过充分拌匀，放入料筒。如果合成红宝石，则需要Al2O 粉末和少量的 Cr2O3参杂，Cr2O3用作致色剂，添加量为 1-3%。三氧化 3 二铝可由铝铵矾加热获得。料筒：圆筒，用来装原料，底部有筛孔。料筒中部贯通有

第二章 晶体结构与晶体缺陷

2-1 （a ）MgO 具有NaCl 结构。根据O 2-半径为0.140nm 和Mg 2+半径为0.072nm ，计算球状离子所占有的空间分数（堆积系数）。 （b ）计算MgO 的密度。 解：（a ）MgO 具有NaCl 型结构，即属面心立方，每个晶胞中含有4个Mg 2+和4个O 2-，故Mg 所占有体积为： 2233MgO Mg O 334 4()34 4(0.0720.140) 3 0.0522nm V R R ππ+- ?+?+＝＝＝ 因为Mg 2+和O 2-离子在面心立方的棱边上接触： 22Mg O 2()20.0720.1400.424nm a R R +-++＝＝（）＝（） 堆积系数＝％＝）（＝5.68424.00522 .033 MgO a V （b ） 37233 )10424.0(1002.6) 0.163.24(4·0MgO -???+?＝ ＝ a N M n D ＝3.51g/cm 3 2-2 Si 和Al 原子的相对质量非常接近（分别为28.09和26.98），但SiO 2和Al 2O 3的密度相差很大（分别为2.65g/cm 3和3.96g/cm 3）。试计算SiO 2和Al 2O 3的堆积密度，并用晶体结构及鲍林规则说明密度相差大的原因。 解： 首先计算SiO 2堆积系数。每cm 3中含SiO 2分子数为： 3223 22343223 2322223 2.65SiO /cm 2.6410/cm (28.0932.0)/(6.0310) Si /cm 2.6410/cm O /cm 2.64102 5.2810/cm +-?+?????＝ ＝个＝个＝＝个 每cm 3 中Si 4+ 和O 2- 所占体积为： 2-32273 Si432273 O 4 /cm 2.6410(0.02610)3 0.001954 /cm 5.2810(0.13810)3 0.5809V V ππ-+-????????＝＝＝＝ Si 2O 3晶体中离子堆积系数＝000195+0.5809＝0.5829或58.29％ Al 2O 3堆积系数计算如下：

蓝宝石晶体生长技术回顾

蓝宝石晶体生长技术回顾 (2011-07-12 15:21:18) 转载 分类：蓝宝石晶体 标签： 蓝宝石 晶体生长 技术 历史 杂文 杂谈 引言 不少群众提出意见，博主说了这多不行的，能不能告诉广大投身蓝宝石长晶事业的什么设备行？说实话，这真的是为难我了！怎么讲？举个例子吧，Ky技术设备在Mono手里还真的是Ky，但到了你手里可能就是YY了。 可能你觉得受打击了，可是没有办法啊，事实如此啊，实话听 起来往往比较刺耳！本博主前面发表的《从缺陷的角度谈谈蓝宝石生长方向的选择》博文，迄今为止只有寥寥无几群众真正看出精髓所在..................................不服气群众可以留言谈谈自己了解了什么？ 古人云“博古通今”、“温故知新”，我觉得很有道理，技术之道也是如此。如果没有对以往技术的熟练掌握、熟知精髓所在，没有

对以往技术的总结提炼，你就不可能对一个新技术真正的掌握。任何新技术新设备到你手里，充其量你只是一个熟练操作工而已。 还觉得不信的话，我就在这篇博文里用大家认为最古老的火焰法宝石生长的经验理论总结来给大家进行目前流行的衬底级蓝宝石晶体生长进行理论指导。 蓝宝石晶体生长技术简介

焰熔法（flame fusion technique）&维尔纳叶法（Verneuil technique） 1885年由弗雷米（E. Fremy）、弗尔（E. Feil）和乌泽（Wyse）一起，利用氢氧火焰熔化天然的红宝石粉末与重铬酸钾而制成了当时轰动一时的“日内瓦红宝石”。后来于1902年弗雷米的助手法国的化学家维尔纳叶（Verneuil）改进并发展这一技术使之能进行商业化生产。因此，这种方法又被称为维尔纳叶法。 弗雷米（E. Fremy）、弗尔（E. Feil）和乌泽（Wyse）这几个哥们实际上就是做假珠宝的，一群有创新精神的专业人士。 博主对两类造假者比较佩服，一类是以人造珠宝以假乱真的，一类是造假文物的。首先、他们具有很高的专业素养；其次、他们也无关民生大计；还有利于社会财富的再分配。 至于火焰法简单的描述我就不啰嗦了，我讲讲一些你所不知道的火焰法长宝石的一些前人总结；这些总结和经验对今天的任何一种新方法长蓝宝石单晶都是有借鉴意义的。 100多年来火焰法工作者在气泡、微散射，晶体应力和晶体生长方向的关系，晶体生长方向与缺陷、成品率之间的关系做了大量的数据总结，可以讲在各个宝石生长方法中研究数据是最完备的。在这篇博文里我只讲讲个人认为对其他方法有借鉴意义的一些总结。

第二章 晶体结构缺陷习题答案电子教案

第二章晶体结构缺陷 1.（错）位错属于线缺陷，因为它的晶格畸变区是一条几何线。 2．（错）螺型位错的柏氏失量与其位错线垂直，刃型位错的柏氏失量与其位错线是平行。 3. （错）肖特基缺陷是由于外来原子进入晶体而产生的缺陷。 4.（错）弗伦克尔缺陷是由于外来原子进入晶体而产生的缺陷。 二选择题 1．非化学剂量化合物Zn1+x O中存在 A 。 A. 填隙阳离子 B. 阳离子空位 C. 填隙阴离子 D. 阴离子空位 2. 非化学计量化合物UO2+x中存在 C 。 A. 填隙阳离子 B. 阳离子空位 C. 填隙阴离子 D. 阴离子空位 3．非化学剂量化合物TiO2－x中存在 D 。 A. 填隙阳离子 B. 阳离子空位 C. 填隙阴离子 D. 阴离子空位 4.螺型位错的位错线是 A 。 A. 曲线 B. 直线 C. 折线 D. 环形线 5．非化学剂量化合物ZnO1－x中存在 D 。 A. 填隙阳离子 B. 阳离子空位 C. 填隙阴离子 D. 阴离子空位 6. 非化学计量化合物UO2+x中存在 C 。 A. 填隙阳离子 B. 阳离子空位 C. 填隙阴离子 D. 阴离子空位 三、名词解释 1. 弗仑克尔缺陷 原子离开其平衡位置二进入附近的间隙位置，在原来位置上留下空位所形成的缺陷，特点是填隙原子与空位总是成对出现。 2．固溶体： 物种数：凡在固体条件下，一种组分（溶剂）内“溶解”了其它组分（溶质）而形成的单一、均匀的晶态固体称为固溶体。

四、解答题 1．完成下列缺陷方程式，并且写出相应的化学式 (1)NaCl 溶入CaCl 2中形成空位型固溶体； (2)CaCl 2溶人NaC1中形成空位型固溶体； 解：（1）NaCl Na Ca ’+ Cl Cl + V Cl · Ca 1－x Na x Cl 2－x （2）CaCl 2 Ca Na · + 2Cl Cl + V Na ’ Na 1－2x Ca X Cl 2完成下列缺陷方程式，并且写出相应的化学式(6分) (1)M gCl 2固溶在LiCl 晶体中形成填隙型 Li 1－x Mg x Cl 1＋x (2) SrO 固溶在Li 2O 晶体中形成空位型 Li 2－2x Sr x O 3．写出下列缺陷反应式 ①.NaCl 形成肖脱基缺陷。 ②.AgI 形成弗伦克尔缺陷（Ag +进入间隙）。 ③KCl 溶入CaCl 2中形成空位型固溶体。 解：1、O→VNa ′+VCl˙ 2、Ag Ag+Vi →A g i ˙+V Ag′ ③ KCl K Ca ’+ Cl Cl + V Cl · Ca 1－x K x Cl 2－x 4 对于MgO 、Al 2O 3和Cr 2O 3，其正、负离子半径比分别为0.47,0.36和0.40。Al 2O 3和Cr 2O 3形成连续固溶体。（4分） （a ）这个结果可能吗？为什么？ （b ）试预计，在MgO －Cr 2O 3系统中的固溶度是有限还是很大的？为什么？ 答（a ）可能，Al 2O 3和Cr 2O 3的正离子半径之比小于15％。晶体结构又相同。 所以可能 O Li Li O Li O V Sr S SrO +'+??→??. 2)(Cl i Li LiCl Cl Cl Mg S MgCl ++?? →??')(.2

蓝宝石晶体生长工艺研究

蓝宝石晶体生长工艺研究 【摘要】蓝宝石晶体具有硬度大、熔点高、物理化学性质稳定的特点,是优质光功能材料和氧化物衬底材料,广泛用于电子技术,军事、通信、医学等国防民用, 科学技术等领域。自19 世纪末, 法国化学家维尔纳叶采用焰熔法获得了蓝宝石晶体后,人工生长蓝宝石工艺不断发展, 除了焰熔法外还有冷坩埚法、泡生法、温度梯度法、提拉法、热交换法、水平结晶法、弧熔法、升华法、导模法、坩埚下降法等。本文主要对应用较为广泛的焰熔法、提拉法、泡生法、热交换法、导模法、下降法、等生长工艺进行论述。 【关键词】蓝宝石晶体晶体生长工艺研究蓝宝石晶体的化学成分是氧化铝(a -AI2O3 ),熔点高达2050C,沸点3500C,硬度仅次于金刚石为莫氏硬度9，是一种重要的技术晶体。蓝宝石晶体在光学性能、机械性能和物理化学性质方面表现出了优异性能,因此被各行业广泛应用,同时随着现代科学技术的发展,对蓝宝石晶体的质量要求也不断提升,这就对蓝宝石晶体生长工艺提出了新的挑战。 焰熔法。确切来讲焰熔法是由弗雷米、弗尔、乌泽在

1885 年发明的，后来法国化学家维尔纳叶改进、发 展并投入生产使用。焰熔法是以Al2O3 粉末为原 料，置于设备上部，原料在撒落过程中通过氢及氧气 在燃烧过程中产生的高温火焰，熔化，继续下落，落 在设备下方的籽晶顶端，逐渐生长成晶体。焰熔法生 产设备主要有料筒、锤打机构、筛网、混合室、氢气 管、氧气管、炉体、结晶杆、下降机构、旋转平台等 组成。锤打机构使料筒振动，与筛网合作使粉料少 量、等量或周期性的下落；氧气与粉末一同下降、氢气与氧气混合燃烧；在炉体设有观察窗口可通过望远镜查看结晶状况，下降机构控制结晶杆的移动，旋转平台为晶体生长平台，下方置以保温炉。焰熔法具有生长速度快、设备简单、产量大的优点，但是生产出的晶体缺陷较多，适用于对蓝宝石质量要求不高的晶体生产。 提拉法。提拉法能够顺利地生长某些易挥发的化合物，应用较为广泛。提拉法工艺：将原料装入坩埚中熔化为熔体，籽晶放入坩埚上方的提拉杆籽晶夹具中，降低提拉杆使籽晶插入熔体中，在合适的温度下籽晶不会熔掉也不会长大，然后转动和提升晶体，当加热功率降低时籽晶就会生长，通过对加热功率的调节和提升杠杆的转动即可使籽晶生长成所需的晶体。

纳米材料考试试题3

判断和填空 1由纳米薄膜的特殊性质，可分为两类：a、含有那么颗粒与原子团簇——基质薄膜。b、纳米尺寸厚度的薄膜，其厚度接近于电子自由程和Debye长度，可以利用其显著的量子特性和统计特性组装成新型功能器件。 2、.增强相为纳米颗粒、纳米晶须、纳米晶片、纳米纤维的复合材料称为纳米复合材料；纳米复合材料包括金属基、陶瓷基和高分子基纳米复合材料；复合方式有：晶内型、晶间型、晶内-晶间混合型、纳米-纳米型等 3、宏观量子隧道效应微粒具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。微粒的磁化强度,量子相干器 件中的磁通量等，具有隧道效应、称为宏观的量子隧道效应。 4、纳米微粒反常现象原因：小尺寸效应、表面界面效应、量子尺寸效应及量子隧道效应。 举例：金属体为导体，但纳米金属微粒在低温由于量子尺寸效应会呈现电绝缘性。化学惰性的金属铂制成纳米微粒（铂黑）后却成为活性极好的催化剂。 5、非晶纳米微粒的晶化温度低于常规粉体。 6、超顺磁性纳米微粒尺寸小到一定临界值进入超顺磁状态，例如a-Fe Fe3O4和a-Fe2O3 粒径分别为5nm 16nm和20nm时变成顺磁体这时磁化率X不再服从居里-外斯定律。 7、超顺磁状态的起源:在小尺寸下，当各向异性能减小到与热运动能可相比拟时，磁化方向就不再固定一个易磁化方向，易磁化方向作无规律的变化，结果导致超顺磁性的出现。不同种类的纳米微粒显现的超顺的临界尺寸是不同的。 8纳米微粒尺寸高于超顺磁临界尺寸时通常呈现高的矫顽力Hc 10矫顽力的起源两种解释一致转动模式和球链反转磁化模式。 11.居里温度Tc为物质磁性的重要参数与交换积分成正比，并与原子构型和间距有关。对于薄膜随着铁磁薄膜厚度的减小，居里温度下降。对于纳米微粒，由于小尺寸效应而导致纳米粒子的本征和内禀的磁性变化，因此具有较低的居里温度。 12，大块金属具有不不同颜色的光泽，表明对可见光各种颜色的反射和吸收能力不同。当尺寸减小到纳米级时各种金属纳米微粒几乎都呈黑色，它们对可见光的反射率极低。反射率：Pt为1%,Au小于10%。对可见光低反射率、强吸收率导致粒子变黑。 13、当纳米微粒的尺寸小到一定值时可在一定波长的光激发下发光。 14、物理法制备纳米粒子：粉碎法和构筑法。前者以大块固体为原料，将块状物质粉碎、细化，从而得到不同粒径范围的纳米粒子；构筑法是由小极限原子或分子的集合体人工合成超微粒子。 15、物料的基本粉碎方式：压碎、剪碎、冲击破碎和磨碎。 16、非晶纳米微粒的晶化温度低于常规粉体 17.原位复合法主要有：共晶定向凝固法、直接氧化法和反应合成法 18、纳米增强相和金属基体之间的界面类型三种：不反应不溶解；不反应但相互；相互反应生成界面反应物。界面结合方式有四种：机械结合；浸润与溶解结合；化学反应结合；混合结合。界面的溶解和析出是影响界面稳定性的物理因素，而界面反应是影响界面的化学因素。 19、使纳米增强相遇金属基体之间具有最佳界面结合状态的措施：应该使纳米增强相与金属基体之间具有良好的润湿后，互相间应发生一定程度的溶解；保持适当的界面结合力，提高复合材料的强韧性；并产生适当的界面反应，而界面反应产物层应质地均匀，无脆性异物，不能成为内部缺陷（裂纹源），界面反应可以控制等。措施：增强相表面改性（如涂覆）;基体合金化（改性）。 20、原位复合法关键：在陶瓷基体中均匀加入可生成纳米第二相的元素或化合物，控制其反应生成条件，使其在陶瓷基体致密化过程中，在原位同时生长处纳米颗粒、晶须和纤维等，形成陶瓷基纳米复合材料。也可以利用陶瓷液相烧结时某些晶相生长成高长径比的习性，控制烧结工艺。也可以使基体中生长高长径比晶体，形成陶瓷基复合材料。优点：有利于制作形状复杂的结构件，成本低，同时还能有效地避免人体与晶须等地直接接触，减轻环境污染。 21、陶瓷基纳米复合材料的基体主要有：氧化铝、碳化硅、氮化硅和玻璃陶瓷。与纳米级第二相的界面粘结形式：机械粘结和化学粘结 22、纳米材料的三种结构缺陷：点缺陷（空位、空位对、空位团、溶质原子、杂质原子等）、线缺陷（位错、刃型位错、螺型位错、混合型位错等）、面缺陷（层错、相界、晶界、三叉晶界、

蓝宝石应力

蓝宝石应力 1. 概述 在晶体生长过程中晶体内存在的应力将引起应变，当应变超过了晶体材料本身塑性形变的屈服极限时，晶体将发生开裂。一般来说，根据晶体内应力的形成原因，可将其分为三类：热应力，化学应力和结构应力。 1.1热应力 蓝宝石晶体在从结晶温度冷却至室温过程中并不发生相结构的转变，因此，晶体内应力主要是由温度梯度引起的热应力。晶体热应力正比于晶体内的温度梯度、晶体热膨胀系数及晶体直径。最大热应力总是出现在籽晶与新生晶体的界面区域，较大热应力一般出现在结晶界面、放肩、收尾及直径发生突变的部位，在等径部位热应力相对较小。 1.2结构应力 由特定材料构建成的一个功能性物体叫做结构，在结构的材料内部纤维受到结构自身重力或者外界作用力下，纤维会产生变形，这种变形的能量来自于材料所受的应力，这种应力就叫结构应力。 2. 产生因素 晶体全开裂主要与晶体的生长速率和冷却速率有关，生长速率或冷却速率过快，必将使晶体整体的热应力过大。当热应力值超过屈服应力时，裂纹大量萌生，不断扩展，相互交织造成晶体整体碎裂，具有此种裂纹的晶体已失去使用价值，应当严格避免。通过相关理论分析和多次实验证明，采用匀速的降温程序，降温速率控制在1.5～3.0 K／h的范围

内，晶体生长速率为1.0～5.0 mm／h；依据蓝宝石晶体退火工艺，晶体强度与温度的变化关系，在10～30 K／h范围内设计晶体的冷却程序，完成晶体的退火和冷却。此晶体生长速率及冷却程序，可使晶体的整体碎裂得到有效控制。 在晶体生长中时常发现在晶体的引晶、放肩及晶体直径突变等部位发生裂纹萌生，并沿特定的晶面扩展。具有该种裂纹的晶体虽然仍可利用，但会使器件的尺寸受到一定的限制，降低晶体坯料的利用率，故应尽力避免。 此种裂纹的形成与泡生法晶体生长控制工艺密切相关。在晶体生长的引晶和放肩阶段主要是通过调节热交换器的散热能力来控制晶体生长，在籽晶和新生晶体的界面区域，受热交换器工作流体温度的影响较显著，温度梯度较大。同时，在此阶段需不断的调整晶体的生长 状态，造成此位置晶体外形不规则以及较高的缺陷浓度等都极易引起应力集中，裂纹萌生的机率也相对较大。在后续实验中，本实验室采用加长籽晶杆长度，增加温度梯度过渡区长度和恒定热交换器工作流体温度等措施来控制该区域的裂纹萌生，并取得了较好的效果。 3. 检测方法 检测工具为应力仪。 台式应力仪：S-18应力测试仪应用范围广泛。该仪器可以从水平或垂直角度，对玻璃和塑料配件进行检测，大多运用于品控。S-18有足够大的使用空间供各种产品进行测量。测量过程中，主要通过手持被测物体在偏光下进行观察测量。 标准配置的S-18包括一个光源，一个装有四分之一波盘的分析器和另一个装有四分之一波盘的偏光装置。S-18应力仪中已经置入了一块全波盘。 S-18应力测试仪使用时要垂直放置。机身上有2对橡胶脚垫减震器，便于从水平或垂直方向操作。 应力仪功能的优越点 应力仪是一种无损检测应力情况的机器，便于人们在生产国产中更直观的判别样品的应力情况。做好分析应力的情况，更好的改进生产工艺，做出更好的产品。 应力仪的操作简便易学，机器性能一般可以稳定维持3-5年。

第二章晶体结构与晶体中的缺陷

第二章晶体结构与晶体中的缺陷 内容提要：通过讨论有代表性的氧化物、化合物和硅酸盐晶体结构， 用以掌握与本专业有关的各种晶体结构类型。介绍了实际晶体中点缺陷分 类；缺陷符号和反应平衡。固熔体分类和各类固熔体、非化学计量化学化 合物的形成条件。简述了刃位错和螺位错。 硅酸盐晶体结构是按晶体中硅氧四面体在空间的排列方式为孤岛状、组群状、链状、层装和架状五类。这五类的[SiO4]四面体中，桥氧的数目也依次由0增加到4， 非桥氧数由4减至0。硅离子是高点价低配位的阳离子。因此在硅酸盐晶体中，[SiO4] 只能以共顶方式相连，而不能以共棱或共面方式相连。表2-1列出硅酸盐晶体结构类型及实例。 表2-1 Array硅酸 盐晶 体的 结构 类型

真实晶体在高于0K的任何温度下，都或多或少地存在着对理想晶体结构的偏离，即存在着结构缺陷。晶体中的结构缺陷有点缺陷、线缺陷、面缺陷和复合缺陷之分，在无机材料中最基本和最重要的是点缺陷。 点缺陷根据产生缺陷的原因分类，可分为下列三类： （1）热缺陷（又称本征缺陷） 热缺陷有弗仑克儿缺陷和肖特基缺陷两种基本形式。 弗仑克儿缺陷是指当晶格热震动时，一些能量足够大的原子离开平衡位置而挤到晶格点的间隙中，形成间隙原子，而原来位置上形成空位，这种缺陷称为弗仑克儿缺陷。 肖特基缺陷是指如果正常格点上原子，热起伏后获得能量离开平衡位置，跃迁到晶体的表面，而在原正常格点上留下空位，这种缺陷称为肖特基缺陷。 （2）杂质缺陷（非本征缺陷） （3）非化学计量化学化合物 为了便于讨论缺陷反应，目前广泛采用克罗格-明克（Kroger-Vink）的点缺陷符号（见表2-2）。 表2-2 Kroger-Vink缺陷符号（以M2+X2-为例）

微纳米材料

其应用

纳米材料定义 ?1959 年, 美国著名理论物理学家、诺贝尔奖获得者R. Feynman 曾说过: 我深信当人们能操纵细微物体的排列时, 将可以获得极其丰富的新的物质性质。如今, Feynman 的梦想终于在纳米材料中得到实现。 ?尺寸在0. 1nm 到100nm之间, 处在原子簇和宏观物体交接区域内的粒子称为纳米材料或超微粒。

纳米材料制备历史 ?20 世纪80 年代初, 德国科学家Gleiter提出纳米晶体材料的概念, 并采用人工制备首次获得纳米晶体。 ?1987 年美国Argon 实验室Siegles 等采用惰性气体蒸发原位加压的方法, 制备?了纳米级TiO2 陶瓷材料。 ?到20 世纪90 年代, 人工制备的纳米材料已达百种以上。

纳米材料特性 ?表面效应 ?小尺寸效应 ?量子尺寸效应 ?宏观量子隧道效应

小尺寸效应 ?当纳米材料的晶体尺寸与光波波长、传导电子的德布罗意波长、超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或比它们更小时, 一般固体材料赖以成立的周期性边界条件将被破坏, 声、光、热和电磁等特征会出现小尺寸效应。

?例如: 纳米银的熔点为373K, 而银块则为1234K。纳米铁的抗断裂应力比普通铁高12 倍。纳米材料之所以具有这些奇特的宏观结构特征, 是由于在纳米层次上, 物质的尺寸不大不小, 所包含的原子、分子数不多不少, 其运动速度不快不慢。而决定物质性质的正是这个层次的由有限分子组装起来的集合体, 而不再是传统观念上的材料性质直接决定于原子和分子。介于物质的宏观结构与微观原子、分子结构之间的层次( 即小尺寸效应) 对材料的物性起着决定性作用。

第二章 晶体结构缺陷习题答案

第二章晶体结构缺陷 1、（错）位错属于线缺陷，因为它得晶格畸变区就是一条几何线。2．（错）螺型位错得柏氏失量与其位错线垂直，刃型位错得柏氏失量与其位错线就是平行。 3、（错）肖特基缺陷就是由于外来原子进入晶体而产生得缺陷。 4、（错）弗伦克尔缺陷就是由于外来原子进入晶体而产生得缺陷。 二选择题 1．非化学剂量化合物Zn1+x O中存在 A 。 A、填隙阳离子 B、阳离子空位 C、填隙阴离子 D、阴离子空位 2、非化学计量化合物UO2+x中存在 C 。 A、填隙阳离子 B、阳离子空位 C、填隙阴离子 D、阴离子空位 3．非化学剂量化合物TiO2－x中存在 D 。 A、填隙阳离子 B、阳离子空位 C、填隙阴离子 D、阴离子空位 4、螺型位错得位错线就是 A 。 A、曲线 B、直线 C、折线 D、环形线 5．非化学剂量化合物ZnO1－x中存在 D 。 A、填隙阳离子 B、阳离子空位 C、填隙阴离子 D、阴离子空位 6、非化学计量化合物UO2+x中存在 C 。 A、填隙阳离子 B、阳离子空位 C、填隙阴离子 D、阴离子空位 三、名词解释 1、弗仑克尔缺陷 原子离开其平衡位置二进入附近得间隙位置，在原来位置上留下空位所形成得缺陷，特点就是填隙原子与空位总就是成对出现。 2．固溶体： 物种数：凡在固体条件下，一种组分（溶剂）内“溶解”了其它组分（溶质）而形成得单一、均匀得晶态固体称为固溶体。 四、解答题 1．完成下列缺陷方程式，并且写出相应得化学式 (1)NaCl溶入CaCl2中形成空位型固溶体；

(2)CaCl 2溶人NaC1中形成空位型固溶体； 解：（1）NaCl Na Ca ’+ Cl Cl + V Cl · Ca 1－x Na x Cl 2－x （2）CaCl 2 Ca Na · + 2Cl Cl + V Na ’ Na 1－2x Ca X Cl 2完成下列缺陷方程式，并且写出相应得化学式(6分) (1)M gCl 2固溶在LiCl 晶体中形成填隙型 Li 1－x Mg x Cl 1＋x (2) SrO 固溶在Li 2O 晶体中形成空位型 Li 2－2x Sr x O 3．写出下列缺陷反应式 ①、NaCl 形成肖脱基缺陷。 ②、AgI 形成弗伦克尔缺陷（Ag +进入间隙）。 ③KCl 溶入CaCl 2中形成空位型固溶体。 解：1、O→VNa ′+VCl˙ 2、Ag Ag+Vi →A g i ˙+V Ag′ ③ KCl K Ca ’+ Cl Cl + V Cl · Ca 1－x K x Cl 2－x 4 对于MgO 、Al 2O 3与Cr 2O 3，其正、负离子半径比分别为0、47,0、36与0、40。Al 2O 3与Cr 2O 3形成连续固溶体。（4分） （a ）这个结果可能吗？为什么？ （b ）试预计，在MgO －Cr 2O 3系统中得固溶度就是有限还就是很大得？为什 么？ 答（a ）可能，Al 2O 3与Cr 2O 3得正离子半径之比小于15％。晶体结构又相同。 所以可能 （b ）MgO －Cr 2O 3系统中得固溶度就是有限得，由于得晶体结构不同。 O Li Li O Li O V Sr S SrO +'+??→??. 2)(Cl i Li LiCl Cl Cl Mg S MgCl ++?? →??')(.2

纳米材料论文

纳米材料的制备技术进展及展望 物理工程学院2007级应用物理学03班衷雷 20072200342 摘要综述了国内外块状纳米材料的制备技术进展及存在的问题。提出了超短时脉冲电流直接晶化法和深过冷直接晶化法两类潜在的块状金属纳米晶制备技术，并对今后的研究及发展前景进行了展望。 关键词：纳米晶块体材料制备非晶晶化机械合金化深过冷 自80年代初德国科学家H.V.Gleiter成功地采用惰性气体凝聚原位加压法制得纯物质的块状纳米材料后［1］，纳米材料的研究及其制备技术在近年来引起了世界各国的普遍重视。由于纳料材料具有独特的纳米晶粒及高浓度晶界特征以及由此而产生的小尺寸量子效应和晶界效应，使其表现出一系列与普通多晶体和非晶态固体有本质差别的力学、磁、光、电、声等性能［2］，使得对纳米材料的制备、结构、性能及其应用研究成为90年代材料科学研究的热点。为使这种新型材料既有利于理论研究，又能在实际中拓宽其使用范围，探索高质量的三维大尺寸纳米晶体样品的制备技术已成为纳米材料研究的关键之一。本文综述国内外现有块状金属纳米材料的制备技术进展，并提出今后可能成为块状金属纳米材料制备的潜在技术。 1现有块状金属纳米材料的制备技术 1.1 惰性气体凝聚原位加压成形法 该法首先由H.V.Gleiter教授提出［1］，其装置主要由蒸发源、液氮冷却的纳米微粉收集系统、刮落输运系统及原位加压成形(烧结)系统组成。其制备过程是：在高真空反应室中惰性气体保护下使金属受热升华并在液氮冷镜壁上聚集、凝结为纳米尺寸的超微粒子，刮板将收集器上的纳米微粒刮落进入漏斗并导入模具，在10-6Pa高真空下，加压系统以1～5 GPa的压力使纳米粉原位加压(烧结)成块。采用该法已成功地制得Pd、Cu、Fe、Ag、Mg、S b、Ni3Al、NiAl、TiAl、Fe5Si95等合金的块状纳米材料［3］。近年来，在该装置基础之上，通过改进使金属升华的热源及方式(如采用感应加热、等离子体法、电子束加热法、激光热解法、磁溅射等)以及改良其它装备，可以获得克级到几十克级的纳米晶体样品。纳米超饱和合金、纳米复合材料等也正在利用此法研究之中。目前该法正向多组分、计量控制、多副模具、超高压力方向发展。 该法的特点是适用范围广，微粉表面洁净，有助于纳米材料的理论研究。但工艺设备复杂，产量极低，很难满足性能研究及应用的要求，特别是用这种方法制备的纳米晶体样品存在大量的微孔隙，致密样品密度仅能达金属体积密度的75%～90%，这种微孔隙对纳米材料的结构性能研究及某些性能的提高十分不利。近年来，尽管发展了一些新的纳米粉制备方法

蓝宝石晶体材料应用及市场需求分析

蓝宝石晶体材料应用及市场需求分析 蓝宝石晶体材料是蓝宝石单晶体的原材料，是生产LED衬底、蓝宝石视窗等产业的上游产业，因此可分析其下游产业趋势来确定其市场需求。 据预计，未来LED蓝宝石衬底市场需求量年增速超过30%，蓝宝石视窗则受益于新机型屏幕升级和智能穿戴设备的潜在高速增长，全球性的蓝宝石经济即将到来。 LED市场对蓝宝石晶体材料的需求分析 图1 蓝宝石材料的应用及趋势 1）LED衬底 LED是一种节能环保、寿命长和多用途的光源，其能量转换效率大大高于白炽灯和节能灯。衬底材料是半导体照明产业技术发展的基石，不同的衬底材料，需要不同的外延生长技术、芯片加工技术和器件封装技术，衬底材料决定了半导体照明技术的发展路线。 衬底材料的选择取决于很多条件，目前只能通过外延生长技术的变更和器件加工工艺的调整来适应不同衬底上的半导体发光器件的

研发和生产。目前能用于生产的衬底只有三种，即蓝宝石Al2O3衬底和碳化硅SiC衬底以及Si衬底等。蓝宝石的性价比不断提升将成为LED上游衬底材料的最优选择。 由图1所示，LED衬底可应用于照明、信息、笔记本电脑等诸多领域，市场整体保持快速增长，尤其是LED照明市场应用扩张明显，而蓝宝石晶体材料是LED上游衬底材料的最优选择，受其影响，也将迎来高速增长。 蓝宝石由于性能优良是最为理想的衬底材料，并且被广泛应用于光电元件中。蓝宝石的应用领域主要涉及衬底材料，军事、武器方面的应用及消费性电子智能终端等。衬底依旧是蓝宝石的重要应用领域，以LED衬底材料为主。目前来看，蓝宝石衬底材料应用为蓝宝石的最主要应用，按照法国Yole统计，蓝宝石衬底材料应用占比约75%，非衬底材料应用占比约25%。其中衬底材料中主要是半导体照明（LED）衬底材料及SOS相关产品使用，其中LED衬底材料占比约95%以上，可见LED衬底目前是蓝宝石市场的主要驱动力，现在主要应用在LED照明市场。 2、LED照明市场分析 LED应用于照明，是继日光灯、节能灯后的第三次革命。LED 的发光效率，是白炽灯的8倍，是荧光灯的2倍多。LED的光谱中没有紫外线和红外线成分，所以不会发热，不产生有害辐射。而且LED的光通量半衰期大于5万小时，可以正常使用20年，器件寿命一般都在10万小时以上，是荧光灯寿命的10倍，是白炽灯的100倍，LED这种节能、长寿的特性，使其取代其他灯具成为主流照明产品是必然趋势。另一方面，LED在大尺寸光源、景观照明、汽车车灯、低温照明等应用市场将得到进一步发展，逐步成为推动LED市场发

数种蓝宝石晶体生长方法

蓝宝石晶体的生长方法 自1885年由Fremy、Feil和Wyse利用氢氧火焰熔化天然红宝石粉末与重铬酸钾而制成了当时轰动一时的“日内瓦红宝石”，迄今人工生长蓝宝石的研究已有100多年的历史。在此期间，为了适应科学技术的发展和工业生产对于蓝宝石晶体质量、尺寸、形状的特殊要求，为了提高蓝宝石晶体的成品率、利用率以及降低成本，对蓝宝石的生长方法及其相关理论进行了大量的研究，成果显著。至今已具有较高的技术水平和较大的生产能力，为之配套服务的晶体生长设备——单晶炉也随之得到了飞速的发展。随着蓝宝石晶体应用市场的急剧膨胀，其设备和技术也在上世纪末取得了迅速的发展。晶体尺寸从2吋扩大到目前的12吋。 低成本、高质量地生长大尺寸蓝宝石单晶已成为当前面临的迫切任务。总体说来，蓝宝石晶体生长方式可划分为溶液生长、熔体生长、气相生长三种，其中熔体生长方式因具有生长速率快，纯度高和晶体完整性好等特点，而成为是制备大尺寸和特定形状晶体的最常用的晶体生长方式。目前可用来以熔体生长方式人工生长蓝宝石晶体的方法主要有焰熔法、提拉法、区熔法、导模法、坩埚移动法、热交换法、温度梯度法、泡生法等。而泡生法工艺生长的蓝宝石晶体约为目前市场份额的70%。LED蓝宝石衬底晶体技术正属于一个处于正在发展的极端，由于晶体生长技术的保密性，其多数晶体生长设备都是根据客户要求按照工艺特点定做，或者采用其他晶体生长设备改造而成。下面介绍几种国际上目前主流的蓝宝石晶体生长方法。

图9 蓝宝石晶体的生长技术发展 1 凯氏长晶法(Kyropoulos method) 简称KY法，中国大陆称之为泡生法。泡生法是Kyropoulos于1926年首先提出并用于晶体的生长，此后相当长的一段时间内，该方法都是用于大尺寸卤族晶体、氢氧化物和碳酸盐等晶体的制备与研究。上世纪六七十年代，经前苏联的Musatov改进，将此方法应用于蓝宝石单晶的制备。该方法生长的单晶，外型通常为梨形，晶体直径可以生长到比坩锅内径小10～30mm的尺寸。其原理与柴氏拉晶法(Czochralski method)类似，先将原料加热至熔点后熔化形成熔汤，再以单晶之晶种（Seed Crystal，又称籽晶棒）接触到熔汤表面，在晶种与熔汤的固液界面上开始生长和晶种相同晶体结构的单晶，晶种以极缓慢的速度往上拉升，但在晶种往上拉晶一段时间以形成晶颈，待熔汤与晶种界面的凝固速率稳定后，晶种便不再拉升，也没有作旋转，仅以控制冷却速率方式来使单晶从上方逐渐往下凝固，最后凝固成一整个单晶晶碇，图10即为泡生法(Kyropoulos method)的原理示意图。泡生法是利用温度控制来生长晶体，它与柴氏拉晶法最大的差异是只拉出晶颈，晶身部分是靠着温度变化来生长，少了拉升及旋转的干扰，比较好控制制程，并在拉晶颈的同时，调整加热器功率，使熔融的原料达到最合适的

神坛上的美国蓝宝石晶体生长设备

神坛上的美国蓝宝石晶体生长设备 (2011-07-01 12:07:38) 转载 标签： 分类：蓝宝石晶体 arc gt hem tgt 坩锅下降法 蓝宝石晶体生长 杂谈 引言 华裔背景的美国科学家朱棣文博士因激光冷却和俘获原子的实验而分享了1997年的诺贝尔物理学奖。获奖后朱棣文博士访问中国的第一站选择了中国科学院上海光学精密机械研究所拜访王育竹院士。因为王育竹院士比获得1997年诺贝尔物理学奖的朱棣文博士早了近10年就提了关于激光冷却的实验方法和理论设想，但是实验必需器材的购置费120万元迟迟未申请到，以致拖了14年才出成果，结果当然他不可能拿诺贝尔奖。 向王育竹院士表示致敬！ ………………………………………………………………… 话说世界500强联合利华新换了一批自动香皂包装机以后，经常出现香皂盒子是空的没有香皂情况，而在装配线一头用人工检查因为效率问题不太可能而且不保险，这不，一个由自动化，机械，机电一体化等专业的博士组成的Solution队伍来解决这个问题，没多久他们在装配线的头上开发了全自动的X光透射检查线，透射检查所有的装配线尽头等待装箱的香皂盒，如果由空的就用机械臂取走。 同样，中国一乡镇企业生产香皂也遇到类似问题，老板吩咐线上小工务必想出对策解决之，小工拿了一个电风扇放在产线上吹风。 一堆最先进的零部件的堆积物，未必是最合适的机器。............................................................................ 事关中国人面子的诺贝尔奖，我们纠结了很多很多年..............其实大可不必，诺贝尔奖已经带有了浓厚的政治色彩.............. 如果我们老百姓能安居乐业、如果有一个让我们的科技工作者心无旁鹫安心工作的环境、如果我们的百姓人人从心底就淡定................不要说我们从未拿过诺贝尔，即使从未有奥运奖牌又能如何？ 不能为官员的面子而活，要为百姓的尊严而活！ 中国从来不缺乏优秀的人才，只是缺乏合适的制度和尊重知识的土壤。在急功近利的环境中，我们缺乏的是自信和心态;喜欢神话，能为有钱人服务的神话.................尤其是外来的神话。 神坛上美国蓝宝石晶体生长设备 本博主学习和研究晶体生长技术十五年以上，也跑过不少国家和地区，对晶体生长技术和设备的发展水平自认为略知一二。十多年前开始跟踪蓝宝石晶体生长的技术和设备，应该讲前苏联地区的水平在世界上是处于领先水平的。跟踪Crystal System 也是在十年前的事了；在本人的学识范围内，晶体生长的技术和设备绝对是一个需要理论和经验相结合的一个技术活。

蓝宝石晶体是第三代半导体材料GaN外延层生长最好的衬底材料之一

蓝宝石晶体是第三代半导体材料GaN外延层生长最好的衬底材料之一，其单晶制备工艺成熟。 GaN为蓝光LED制作基材。 一、GaN外延层的衬底材料 1、SiC 与GaN晶格失配度小，只有3.4%，但其热膨胀系数与GaN差别较大，易导致GaN外延层断裂， 并制造成本高，为蓝宝石的10倍。 2、Si 成本低，与GaN晶格失配度大，达到17%，生长GaN比较难，与蓝宝石比较发光效率太低。 3、蓝宝石 晶体结构相同（六方对称的纤锌矿晶体结构），与GaN晶格失配度大，达到13%，易导致GaN 外延层高位错密度（108—109/cm2）。为此，在蓝宝石衬底上AlN或低温GaN外延层或SiO2层等，先进方法可使GaN外延层位错密度达到106/cm2水平。 二、蓝宝石、GaN的品质对光致发光的影响 蓝宝石单晶生长技术复杂，获得低杂质、低位错、低缺陷的单晶比较困难。蓝宝石单晶质量对GaN外延层的质量有直接的影响，其杂质和缺陷会影响GaN外延层质量，从而影响器件质量（发 光效率、漏电极、寿命等）。 蓝宝石单晶的位错密度一般为104/cm2数量级，它对GaN外延层位错密度（108—109/cm2）影 响不大。 三、蓝宝石衬底制作 主要包括粘片、粗磨、倒角、抛光、清洗等，将2英寸蓝宝石衬底由350—450μm（4英寸600μm 左右）减到小于100μm（4英寸要厚一些） 四、蓝宝石基板 市场上2英寸蓝宝石基板的主要技术参数： 高纯度—— 99.99%以上（4—5N） 晶向——主要是C面，C轴（0001）±0.3° 翘曲度——20μm 厚度——330μm—430μm±25μm 表面粗糙度—— Ra<0.3nm 背面粗糙度——Ra<1μm（不是很严格） yq_chu666 at 2010-7-06 08:53:02 这是美国公司的要求吧？ 如何降低翘曲、弯曲呀？ ljw.jump at 2010-7-06 16:41:37 国内做蓝宝石的厂家我知道有个不错的，在安徽吧 qw905 at 2010-7-06 18:26:50 还是哈工大与俄罗斯合作的泡生法-钻孔取棒最成功！ qw905 at 2010-7-06 18:29:06 一篇蓝宝石研发总结 藍寶石單晶生長技術研發Sapphire Crystal Instruction.pdf (2010-07-06 18:29:06, Size: 1.67 MB, Downloads: 28) HP-led at 2010-7-20 12:00:50 在云南，不过他去年不咋地，今年慢慢恢复生产