阅读说明：本技术 一种蓝宝石及石墨烯掺杂生成蓝宝石的方法 (A kind of sapphire and graphene doping generate sapphire method ) 是由 承刚 卢铁成 齐建起 黄旭 魏念 石彦立 于 2019-10-08 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种石墨烯掺杂生成蓝宝石的方法,包括以下步骤：步骤①：将氧化铝粉料和石墨烯粉料混合均匀成混合料A待用；步骤②：将石墨烯粉料和氟化钾粉料混合均匀成混合料B待用；步骤③：将混合料A干压成型后烧结成饼料；步骤④：将饼料放入晶体生长装置,每层饼料上放置一层混合料B；步骤⑤：真空状态下升温化料成溶体,然后保温、降功率、搅拌至杂质层消失；步骤⑥：引晶；步骤⑦：晶体生长；步骤⑧：退火、自然冷却、开炉取晶体。本发明生长的石墨烯掺杂蓝宝石材料,与普通蓝宝石材料相比具有更好的高温强度,更宽的介电常数调节范围,更小的介电损耗,是一种良好的新型微波窗口材料。(The invention discloses a kind of doping of graphene to generate sapphire method, comprising the following steps: step 1.: it is stand-by that alumina powder and graphene powder are mixed into mixture A；Step is 2.: it is stand-by that graphene powder and potassium fluoride powder being mixed into mixture B；Step is 3.: by mixture A it is dry-pressing formed after sinter biscuit into；Step is 4.: biscuit being put into crystal growing apparatus, places one layer of mixture B on every layer cake material；Step is 5.: under vacuum state then temperature increasing for melting materials keeps the temperature at solution, drops power, stirring to impurity layer disappears；Step is 6.: seeding；Step is 7.: crystal growth；Step is 8.: annealing, natural cooling, blow-on take crystal.The graphene that the present invention is grown adulterates sapphire material, has better elevated temperature strength compared with common sapphire material, broader dielectric constant adjustable range, smaller dielectric loss is a kind of good novel microwave window material.)

一种蓝宝石及石墨烯掺杂生成蓝宝石的方法

技术领域

本发明属于蓝宝石制备领域，具体涉及一种蓝宝石及石墨烯掺杂生成蓝宝石的方法。

背景技术

蓝宝石的组成为氧化铝(Al2O3)，是由三个氧原子和两个铝原子以共价键型式结合而成，其晶体结构为六方晶格结构。由于蓝宝石具有高声速、耐高温、抗腐蚀、高硬度、高透光性、熔点高(2045℃)等特点，因此常被用来作为光电元件的材料。目前超高亮度白/蓝光LED的品质取决于氮化镓外延层(GaN)的材料品质，而氮化镓外延层品质则与所使用的蓝宝石衬底表面加工品质息息相关。由于蓝宝石(单晶Al2O3)c面与Ⅲ-Ⅴ和Ⅱ-Ⅵ族沉积薄膜之间的晶格常数失配率小，同时符合GaN外延制程中耐高温的要求，使得蓝宝石晶片成为制作白/蓝/绿光LED的关键材料。

蓝宝石晶体材料的生长方法目前已有很多种，主要有：泡生法(即Kyropolos法，简称KY法)、导模法(即edge defined film-fed growth techniques法，简称EFG法)、热交换法(即heat exchange method法，简称HEM法)、提拉法(即Czochralski，简称Cz法)、布里奇曼法(即Bridgman法，或坩埚下降法)等。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种蓝宝石。

技术方案是：一种蓝宝石，该蓝宝石由氧化铝和石墨烯生成。

本发明的目的之二在于提供一种石墨烯掺杂生成蓝宝石的方法，该方法化料时间短，应力小。

一种石墨烯掺杂生成蓝宝石的方法，包括以下步骤：步骤①：将氧化铝粉料和石墨烯粉料混合均匀成混合料A待用；步骤②：将石墨烯粉料和氟化钾粉料混合均匀成混合料B待用；步骤③：将混合料A干压成型后烧结成饼料；步骤④：将饼料放入晶体生长装置，每层饼料上放置一层混合料B；步骤⑤：真空状态下升温化料成溶体，然后保温、降功率、搅拌至杂质层消失；步骤⑥：引晶；步骤⑦：晶体生长；步骤⑧：退火、自然冷却、开炉取晶体。

作为优选，所述步骤①中，石墨烯粉料重量≦0.1％氧化铝粉料重量。

作为优选，所述石墨烯为单层的石墨烯，该石墨烯粒度≦1微米。

作为优选，所述步骤②中，石墨烯粉料和氟化钾重量比为1:1。

作为优选，所述步骤③中，烧结温度为1800℃-1850℃。

作为优选，所述步骤④中，所述混合料B：混合料A重量比为0.1％-0.5％。

作为优选，所述步骤⑤中，真空状态为0.1大气压以下，升温化料成溶体为6-10小时功率升至50千瓦进行化料成熔体，保温时间为3-5小时，搅拌开始的时间为功率降至45-47千瓦时。

作为优选，所述步骤⑥中，引晶为将籽晶缓慢放入熔体中，在提拉速度1mm/5min下将籽晶发育至50-60mm。

作为优选，所述晶体生长为生长时功率每小时降40瓦直至晶体发育到直径100mm，然后功率每小时降50瓦直至晶体发育到直径200m。

与现有技术相比，本发明发明原理及有益效果：

本发明发明人经研究发现，两步添加石墨烯可以防止石墨烯挥发，添加氟化钾可以增加化料阶段的溶解度以及引晶及后续阶段晶格的稳定性，低生长速率及长退火时间可以减小应力，石墨烯能调节蓝宝石的介电性能，改善热力学性能及加工性能，本发明生成的蓝宝石可以作为特殊要求如高温，微波的窗口材料。

具体实施方式

下面将对本发明作进一步说明。

一种石墨烯掺杂生成蓝宝石的方法，包括以下步骤：

步骤①：将氧化铝粉料和石墨烯粉料混合均匀成混合料A待用；石墨烯粉料重量≦0.1％氧化铝粉料重量。

步骤②：将石墨烯粉料和氟化钾粉料混合均匀成混合料B待用；所述石墨烯为单层的石墨烯，该石墨烯粒度≦1微米。石墨烯粉料和氟化钾重量比为1:1。石墨烯层数过多或石墨烯粒度大于1微米，可能会产生气泡。

步骤③：将混合料A干压成型后烧结成饼料；烧结温度为1800℃-1850℃。

步骤④：将饼料放入晶体生长装置，每层饼料上放置一层混合料B；所述混合料B：混合料A重量比为0.1％-0.5％。

步骤⑤：真空状态下升温化料成溶体，然后保温、降功率、搅拌至杂质层消失；真空状态为0.1大气压以下，升温化料成溶体为6-10小时功率升至50千瓦进行化料成熔体，保温时间为3-5小时，搅拌开始的时间为功率降至45-47千瓦时。

步骤⑥：引晶；引晶为将籽晶缓慢放入熔体中，在提拉速度1mm/5min下将籽晶发育至50-60mm。

步骤⑦：晶体生长；晶体生长为生长时功率每小时降40瓦直至晶体发育到直径100mm，然后功率每小时降50瓦直至晶体发育到直径200m。

步骤⑧：退火、自然冷却、开炉取晶体。

实施例1

将30kg氧化铝粉料(市售)和30克1微米石墨烯粉料(市售)混合，经干压成型后1800度真空烧结6小时成为饼料。

饼料每层20个铺满坩埚一层，每层间添加混合均匀的石墨烯与氟化钾混合粉体(石墨烯重量比：氟化钾为1：1)0.2克，共15层三克。

装料完成后封炉并将真空抽至0.1Pa以下后升温6-10小时进行化料成熔体(功率升至50千瓦)，保温3-5小时(功率50千瓦)后，降低功率，功率降至45-47千瓦时，开始搅拌并观察(此时溶体表面有杂质层)。

搅拌到杂质层消失后，开始进行引晶操作。将籽晶(即晶种)缓慢放入熔体中，按籽晶直径每五分钟发育1毫米提拉一次(提拉速度1mm/5min)，将籽晶发育至50-60mm后进入晶体生长，生长时功率每小时降40瓦直至晶体发育到直径100mm，然后功率每小时降50瓦直至晶体发育到直径200mm。之后退火96小时(功率缓慢降至0)，放置48小时开炉取出晶体。

实施例2

将实施例1生成的晶体进行检测，检测结果如下：

透过率86％@1064nm(检测标准JBT 9495.3-1999)

维氏硬度2200HV(检测标准GB/T16534-2009)

位错密度500pit/cm2(检测标准GB/T33763-2017)

热导率26.26W/(m.k)(@100℃)(检测标准GB/T3651-2008)。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。