Сапфир — драгоценный камень , разновидность минерала корунда , состоящего из оксида алюминия ( α- Al2O3 ) со следовыми количествами таких элементов , как железо , титан , кобальт , свинец , хром , ванадий , магний , бор и кремний . Название сапфир происходит от латинского слова sapphirus , которое в свою очередь происходит от греческого слова sappheiros ( σάπφειρος ), которое относится к лазуриту . [2] Обычно он синего цвета, но природные «фантазийные» сапфиры также встречаются в желтом, фиолетовом, оранжевом и зеленом цветах; «парти сапфиры» показывают два или более цветов. Также встречаются красные корунды, но их называют рубинами , а не сапфирами. [3] Розовый корунд может быть классифицирован как рубин или сапфир в зависимости от местоположения. [ необходимо разъяснение ] Обычно натуральные сапфиры режутся и полируются в драгоценные камни и носят в ювелирных изделиях . Их также могут создавать синтетически в лабораториях для промышленных или декоративных целей в виде больших кристаллических булей . Из-за замечательной твердости сапфиров — 9 по шкале Мооса (третий по твердости минерал после алмаза с твердостью 10 и муассанита с твердостью 9,5) — сапфиры также используются в некоторых недекоративных приложениях, таких как инфракрасные оптические компоненты, высокопрочные окна , кристаллы наручных часов и подшипники движения, а также очень тонкие электронные пластины , которые используются в качестве изолирующих подложек твердотельной электроники специального назначения , такой как интегральные схемы и синие светодиоды на основе GaN . Сапфир — камень , рожденный в сентябре, и драгоценный камень 45-й годовщины . Юбилей сапфира наступает через 65 лет. [4]
Сапфир — одна из двух разновидностей корунда , другая — рубин (определяется как корунд с оттенком красного). Хотя синий — самый известный цвет сапфира, он встречается и в других цветах, включая серый и черный, а также может быть бесцветным. Розовато-оранжевая разновидность сапфира называется падпараджа.
Значительные месторождения сапфира обнаружены в Австралии , Афганистане , Камбодже , Камеруне , Китае ( Шаньдун ), Колумбии , Эфиопии , Индии , Джамму и Кашмире ( Паддер , Киштвар ), Кении , Лаосе , Мадагаскаре , Малави , Мозамбике , Мьянме ( Бирма ), Нигерии , Руанде , Шри-Ланке , Танзании , Таиланде , США ( Монтана ) и Вьетнаме . [5] : 431–707 Сапфир и рубины часто встречаются в одних и тех же географических условиях, но, как правило, имеют разные геологические формации. Например, и рубин, и сапфир встречаются в Мьянме в Могокском каменном урочище, но рубины образуются в мраморе, в то время как сапфир образуется в гранитных пегматитах или корундовых сиенитах. [5] : 403–429
Каждая сапфировая шахта производит широкий спектр качества, и происхождение не является гарантией качества. За сапфир Джамму и Кашмир получает самую высокую премию, хотя Бирма, Шри-Ланка и Мадагаскар также производят большое количество драгоценных камней прекрасного качества. [3]
Стоимость натуральных сапфиров варьируется в зависимости от их цвета, чистоты, размера, огранки и общего качества. Сапфиры, которые полностью необработаны, стоят гораздо дороже, чем те, которые были обработаны. Географическое происхождение также оказывает большое влияние на цену. Для большинства драгоценных камней весом в один карат или более покупателям часто требуется независимый отчет из уважаемой лаборатории, такой как GIA , Lotus Gemology или SSEF , прежде чем они совершат покупку. [6]
Сапфиры других цветов, кроме синего, называются «фантазийными» сапфирами. «Парти сапфир» используется для многоцветных камней с зональностью разных цветов (оттенков), но не разных оттенков. [7]
Фантазийные сапфиры встречаются в желтом, оранжевом, зеленом, коричневом, пурпурном, фиолетовом и практически любом другом оттенке. [8]
Цвет драгоценного камня можно описать с точки зрения оттенка , насыщенности и тона . Оттенок обычно понимается как « цвет » драгоценного камня. Насыщенность относится к живости или яркости оттенка, а тон — это светлота или темнота оттенка. [5] : 333–401 Синий сапфир существует в различных смесях его первичных (синих) и вторичных оттенков, различных тональных уровней (оттенков) и на различных уровнях насыщенности (яркости).
Синие сапфиры оцениваются на основе чистоты их синего оттенка. Фиолетовый и зеленый являются наиболее распространенными вторичными оттенками, встречающимися в синих сапфирах. [5] : 333–401 Самые высокие цены платятся за драгоценные камни чистого синего цвета и яркой насыщенности. Драгоценные камни с более низкой насыщенностью или слишком темные или слишком светлые по тону имеют меньшую ценность. Однако цветовые предпочтения — это дело личного вкуса. [5] : 333–401
Сапфир Логан весом 423 карата (84,6 г), хранящийся в Национальном музее естественной истории в Вашингтоне, округ Колумбия , является одним из крупнейших ограненных синих сапфиров ювелирного качества из существующих.
Разноцветные сапфиры (или двухцветные сапфиры) — это камни, которые демонстрируют два или более цветов в одном камне. [8] Желательность разноцветных или двухцветных сапфиров обычно оценивается на основе зонирования или расположения их цветов, насыщенности цветов и контрастности их цветов. [9] Австралия является крупнейшим источником разноцветных сапфиров; они обычно не используются в обычных ювелирных изделиях и остаются относительно неизвестными. Разноцветные сапфиры не могут быть созданы синтетически и встречаются только в природе. [9]
Розовые сапфиры встречаются в оттенках от светло- до темно-розового, и их цвет становится глубже по мере увеличения количества хрома . Чем глубже розовый цвет, тем выше их денежная стоимость . В Соединенных Штатах, чтобы называться рубином , необходимо достичь минимальной насыщенности цвета , в противном случае камень называют розовым сапфиром . [10]
Падпараджа — это нежный, светло-среднего тона, розово-оранжевый или оранжево-розовый корунд , изначально найденный в Шри-Ланке , [11] но также встречающийся в месторождениях во Вьетнаме и некоторых частях Восточной Африки . Сапфиры падпараджа редки; самый редкий из всех — полностью натуральная разновидность, без признаков искусственной обработки. [12]
Название происходит от санскритского слова padma ranga (padma = лотос; ranga = цвет), цвета, родственного цветку лотоса ( Nelumbo nucifera ). [13]
Среди фантазийных (не синих) сапфиров, натуральные падпараджа стоят дороже всего. С 2001 года на рынке появилось больше сапфиров этого цвета в результате искусственной решеточной диффузии бериллия. [14]
Звездчатый сапфир — это тип сапфира, который демонстрирует звездообразный феномен, известный как астеризм ; красные камни известны как «звездчатые рубины». Звездчатые сапфиры содержат пересекающиеся игольчатые включения, следующие за базовой кристаллической структурой , которая вызывает появление шестилучевого «звездообразного» рисунка при просмотре с одним верхним источником света. Включение часто представляет собой минерал рутил , минерал, состоящий в основном из диоксида титана . [15] Камни ограняются кабошоном , как правило, с центром звезды около вершины купола. Иногда встречаются двенадцатилучевые звезды, как правило, потому, что в одном и том же камне находятся два разных набора включений, например, сочетание тонких игл рутила с небольшими пластинками гематита ; первое приводит к образованию беловатой звезды, а второе — к образованию звезды золотистого цвета. Во время кристаллизации два типа включений становятся преимущественно ориентированными в разных направлениях внутри кристалла, тем самым образуя две шестилучевые звезды, которые накладываются друг на друга, образуя двенадцатилучевую звезду. [16] Деформированные звезды или двенадцатилучевые звезды также могут образовываться в результате двойникования . Включения могут также создавать эффект кошачьего глаза , если плоскость пояска кабошона ориентирована параллельно оси c кристалла, а не перпендикулярно ей. Чтобы получить кошачий глаз, плоскости выделившихся включений должны быть чрезвычайно однородными и плотно упакованными. Если купол ориентирован между этими двумя направлениями, будет видна нецентральная звезда, смещенная от верхней точки купола. [5] : 101
При весе 1404,49 карата «Звезда Адама» является крупнейшим известным синим звездчатым сапфиром. Драгоценный камень был добыт в городе Ратнапура на юге Шри-Ланки. [17] « Черная звезда Квинсленда» , второй по величине звездчатый сапфир в мире, весит 733 карата . [18] «Звезда Индии» , добытая на Шри-Ланке и весящая 563,4 карата, считается третьим по величине звездчатым сапфиром и в настоящее время экспонируется в Американском музее естественной истории в Нью-Йорке . « Звезда Бомбея» весом 182 карата , добытая на Шри-Ланке и находящаяся в Национальном музее естественной истории в Вашингтоне, округ Колумбия , является еще одним примером большого синего звездчатого сапфира. Стоимость звездчатого сапфира зависит не только от веса камня, но и от цвета, видимости и интенсивности астеризма. Цвет камня имеет большее влияние на стоимость, чем видимость звезды. Поскольку более прозрачные камни, как правило, имеют лучшие цвета, самые дорогие звездные камни — это полупрозрачные камни «стеклянного тела» с яркими цветами. [5] : 348–350
28 июля 2021 года в Ратнапуре, Шри-Ланка, было обнаружено крупнейшее в мире скопление звездчатых сапфиров весом 510 кг (1120 фунтов). Это скопление звездчатых сапфиров получило название « Serendipity Sapphire ». [19] [20]
Редкая разновидность натурального сапфира, известная как сапфир, меняющий цвет, демонстрирует разные цвета при разном освещении. Сапфиры, меняющие цвет, синие при наружном освещении и фиолетовые при комнатном освещении лампами накаливания , или зеленые или серо-зеленые при дневном свете и розовые или красновато-фиолетовые при свете ламп накаливания. [ необходимо разъяснение ] Сапфиры, меняющие цвет, добываются в разных местах, включая Мадагаскар , Мьянму , Шри-Ланку и Танзанию . Существует два типа. Первый тип содержит хромофор хрома , который создает красный цвет рубина, в сочетании с хромофором железа и титана , который создает синий цвет сапфира. Более редкий тип, который добывается в районе Могок в Мьянме, содержит хромофор ванадия , такой же, как присутствует в синтетическом сапфире, меняющем цвет Вернейля.
Практически все драгоценные камни, которые демонстрируют «эффект александрита» (изменение цвета или « метамеризм »), демонстрируют схожие характеристики поглощения/пропускания в видимом спектре. Это полоса поглощения в желтом (~590 нм), а также долины пропускания в сине-зеленом и красном. Таким образом, цвет, который мы видим, зависит от спектрального состава источника света. Дневной свет относительно сбалансирован по спектральному распределению мощности (SPD), и поскольку человеческий глаз наиболее чувствителен к зеленому свету, баланс смещен в зеленую сторону. Однако свет лампы накаливания (включая свет свечи) сильно наклонен в красную сторону спектра, таким образом, баланс склоняется в сторону красного. [21]
Сапфиры, меняющие цвет, окрашенные хромофорами Cr + Fe/Ti, обычно меняют цвет с синего или фиолетово-синего на фиолетовый или пурпурный. Те, которые окрашены хромофором V, могут показывать более выраженное изменение, переходя от сине-зеленого к пурпурному.
Некоторые синтетические сапфиры, меняющие цвет, имеют схожее изменение цвета с природным драгоценным камнем александритом , и иногда их продают как «александрий» или «синтетический александрит». Однако последний термин является неправильным: синтетические сапфиры, меняющие цвет, технически не являются синтетическими александритами, а скорее имитаторами александрита . Это потому, что настоящий александрит является разновидностью хризоберилла : не сапфиром, а совершенно другим минералом, отличным от корунда. [22]
Крупные рубины и сапфиры плохой прозрачности часто используются с подозрительными оценками, которые значительно завышают их стоимость. Так было в случае с «Звездным сапфиром жизни и гордости Америки». Около 1985 года Рой Уэтстайн утверждал, что купил камень весом 1905 карат за 10 долларов на выставке драгоценных камней в Тусоне, но репортер обнаружил, что LA Ward из Фоллбрука, Калифорния, который оценил его по цене 1200 долларов за карат, оценил другой камень точно такого же веса за несколько лет до того, как Уэтстайн заявил, что нашел его. [23]
Базирующаяся в Бангкоке компания Lotus Gemology ведет обновленный список мировых аукционных рекордов по рубинам, сапфирам и шпинелям . По состоянию на ноябрь 2019 года ни один сапфир не был продан на аукционе дороже $17 295 796. [24]
Рубины — это корунды с доминирующим красным цветом тела. Это обычно вызвано следами хрома (Cr 3+ ), замещающими ион (Al 3+ ) в структуре корунда. Цвет может быть изменен как железом, так и захваченными дырочными цветовыми центрами. [25]
В отличие от локализованного («внутриатомного») поглощения света, которое вызывает цвет примесей хрома и ванадия, синий цвет в сапфирах возникает из-за интервального переноса заряда, который представляет собой перенос электрона от одного иона переходного металла к другому через зону проводимости или валентную зону . Железо может принимать форму Fe 2+ или Fe 3+ , в то время как титан обычно принимает форму Ti 4+ . Если ионы Fe 2+ и Ti 4+ заменяются на Al 3+ , создаются локализованные области дисбаланса заряда. Перенос электрона от Fe 2+ и Ti 4+ может вызвать изменение валентного состояния обоих. Из-за изменения валентности происходит определенное изменение энергии для электрона, и поглощается электромагнитная энергия . Длина волны поглощенной энергии соответствует желтому свету. Когда этот свет вычитается из падающего белого света, получается дополнительный цвет — синий. Иногда, когда атомное расстояние различно в разных направлениях, возникает сине-зеленый дихроизм .
Фиолетовые сапфиры содержат следовые количества хрома и железа, а также титана и бывают самых разных оттенков. Корунд, содержащий крайне низкие уровни хромофоров, почти бесцветен. Полностью бесцветный корунд, как правило, не существует в природе. Если присутствуют следовые количества железа , можно увидеть очень бледно-желтый или зеленый цвет. Однако, если присутствуют и примеси титана, и железа вместе и в правильных валентных состояниях, результатом будет синий цвет. [26]
Интервалентный перенос заряда — это процесс, который дает ярко выраженный цвет при низком проценте примесей. В то время как в корунде должно присутствовать не менее 1% хрома, чтобы увидеть глубокий рубиновый цвет, сапфировый синий цвет виден при наличии всего 0,01% титана и железа.
Бесцветные сапфиры, которые редко встречаются в природе, когда-то использовались в качестве заменителей бриллиантов в ювелирных изделиях, а в настоящее время используются в качестве акцентных камней. [8]
Наиболее полное описание причин цвета корунда можно найти в главе 4 книги « Рубин и сапфир: руководство геммолога» (глава написана Джоном Эмметом, Эмили Дубински и Ричардом Хьюзом). [5] : 107–164
Сапфиры добывают из россыпных месторождений или из первичных подземных выработок. Коммерческие места добычи сапфира и рубина включают (но не ограничиваются) следующие страны: Афганистан , Австралия , Мьянма / Бирма , Камбоджа , Китай , Колумбия , Индия , Кения , Лаос , Мадагаскар , Малави , Непал , Нигерия , Пакистан , Шри-Ланка , Таджикистан , Танзания , Таиланд , США и Вьетнам . Сапфиры из разных географических мест могут иметь разный внешний вид или концентрацию химических примесей и, как правило, содержат разные типы микроскопических включений. Из-за этого сапфиры можно разделить на три основные категории: классические метаморфические, неклассические метаморфические или магматические и классические магматические. [27]
Сапфиры из определенных мест или определенных категорий могут быть более коммерчески привлекательными, чем другие, [28] особенно классические метаморфические сапфиры из Кашмира, Бирмы или Шри-Ланки, которые не подвергались термической обработке. [29] [30]
Сапфир Логан , Звезда Индии , Звезда Адама и Звезда Бомбея происходят из шахт Шри-Ланки. Мадагаскар является мировым лидером по производству сапфиров (по состоянию на 2007 год), особенно его месторождения в городе Илакака и его окрестностях . [31] До открытия шахт Илакака Австралия была крупнейшим производителем сапфиров (например, в 1987 году). [32] В 1991 году новый источник сапфиров был обнаружен в Андранондамбо, на юге Мадагаскара. Эксплуатация началась в 1993 году, но была практически прекращена всего несколько лет спустя из-за трудностей в извлечении сапфиров из их коренной породы. [33]
В Северной Америке сапфиры в основном добывались из месторождений в Монтане : фации вдоль реки Миссури около Хелены, Монтана , Драй Коттонвуд-Крик около Дир-Лодж, Монтана , и Рок-Крик около Филипсбурга, Монтана . Прекрасные синие сапфиры Його найдены в Його-Галч к западу от Льюистауна, Монтана . [34] Несколько сапфиров и рубинов ювелирного качества также были найдены в районе Франклина, Северная Каролина . [35]
Месторождения сапфиров Кашмира хорошо известны в ювелирной промышленности, хотя их пик добычи пришелся на относительно короткий период в конце девятнадцатого и начале двадцатого веков. [5] : 463–482 Эти месторождения расположены в долине Паддар региона Джамму Джамму и Кашмир в Индии. [36] Они имеют превосходный яркий синий оттенок в сочетании с таинственным и почти сонным качеством, которое некоторые энтузиасты драгоценных камней описывают как «синий бархат». Кашмирское происхождение вносит значительный вклад в ценность сапфира, и большинство корундов кашмирского происхождения можно легко определить по его характерному шелковистому виду и исключительному оттенку. [37] [36] Уникальный синий цвет кажется блестящим при любом освещении, в отличие от некашмирских сапфиров, которые могут казаться пурпурными или сероватыми в сравнении. [38] Sotheby's был в авангарде, контролируя рекордные продажи кашмирских сапфиров по всему миру. В октябре 2014 года Sotheby's в Гонконге установил два последовательных рекорда цены за карат для кашмирских сапфиров — сначала с кольцом Cartier с сапфиром весом 12,00 карат по цене 193 975 долларов США за карат, затем с сапфиром весом 17,16 карат по цене 236 404 долларов США, и снова в июне 2015 года, когда рекорд аукциона за карат был установлен на уровне 240 205 долларов США. [39] В настоящее время мировой рекорд цены за карат сапфира на аукционе принадлежит сапфиру из Кашмира в кольце, который был продан в октябре 2015 года примерно за 242 000 долларов США за карат ( всего 52 280 000 гонконгских долларов , включая комиссию покупателя, или более 6,74 млн долларов США). [39]
Сапфиры можно обрабатывать несколькими способами для улучшения и улучшения их чистоты и цвета. [5] : 197–247 Обычной практикой является нагревание природных сапфиров для улучшения или улучшения их внешнего вида. Это делается путем нагревания сапфиров в печах до температур от 800 до 1800 °C (от 1470 до 3270 °F) в течение нескольких часов или даже недель за раз. Могут использоваться различные атмосферы. При нагревании камень становится более синим по цвету, но теряет часть включений рутила (шелка). При использовании высоких температур (1400 °C+) выделившийся рутиловый шелк растворяется, и он становится прозрачным при увеличении. Титан из рутила переходит в твердый раствор и, таким образом, вместе с железом создает синий цвет. [40] Включения в природных камнях легко увидеть с помощью ювелирной лупы . Доказательства того, что сапфир и другие драгоценные камни подвергались нагреванию, восходят, по крайней мере, к временам Римской империи. [41] Необработанные натуральные камни встречаются довольно редко и часто продаются вместе с сертификатом независимой геммологической лаборатории, подтверждающим «отсутствие признаков термической обработки».
Сапфиры Yogo не нуждаются в термообработке, поскольку их васильковый цвет привлекателен из земли; они, как правило, свободны от включений и имеют высокую однородную чистоту. [42] Когда Intergem Limited начала продавать Yogo в 1980-х годах как единственный в мире гарантированно необработанный сапфир, термообработка обычно не раскрывалась; к концу 1980-х годов термообработка стала серьезной проблемой. [34] В то время большую часть всех сапфиров в мире нагревали для улучшения их естественного цвета. [43] Маркетинг Intergem гарантированно необработанных Yogos настроил их против многих в отрасли драгоценных камней. Этот вопрос появился в качестве истории на первой странице The Wall Street Journal 29 августа 1984 года в статье Билла Ричардса « Караты и придирки: продавец сапфиров расстраивает отрасль драгоценных камней» . [43] Однако самой большой проблемой, с которой столкнулся рудник Його, была не конкуренция со стороны нагретых сапфиров, а тот факт, что камни Його никогда не могли производить количество сапфира выше одного карата после огранки. В результате он остался нишевым продуктом, с рынком, который в основном существует в США. [5] : 676–695
Решетчатая («объемная») диффузионная обработка используется для добавления примесей в сапфир для улучшения цвета. Этот процесс был первоначально разработан и запатентован подразделением Linde Air компании Union Carbide и включал диффузию титана в синтетический сапфир для выравнивания синего цвета. [44] Позднее он был применен к натуральному сапфиру. Сегодня диффузия титана часто использует синтетическую бесцветную сапфировую основу. Цветной слой, созданный диффузией титана, чрезвычайно тонок (менее 0,5 мм). Таким образом, повторная полировка может привести и приводит к незначительной или значительной потере цвета. Была предпринята попытка диффузии хрома, но от нее отказались из-за медленной скорости диффузии хрома в корунде.
В 2000 году на рынок поступили сапфиры цвета «падпараджа», диффузные с бериллием. Обычно бериллий диффундирует в сапфир при очень высокой температуре, чуть ниже точки плавления сапфира. Первоначально ( около 2000 года ) были созданы оранжевые сапфиры, хотя сейчас этот процесс усовершенствован, и многие цвета сапфира часто обрабатываются бериллием. Из-за небольшого размера иона бериллия проникновение цвета намного больше, чем при диффузии титана. В некоторых случаях он может проникать во весь камень. Оранжевые сапфиры, диффузные с бериллием, может быть трудно обнаружить, для этого требуется расширенный химический анализ в геммологических лабораториях ( например , Gübelin, SSEF , GIA , American Gemological Laboratories (AGL), Lotus Gemology . [6]
Согласно рекомендациям Федеральной торговой комиссии США , раскрытие информации о любом способе улучшения, который оказывает существенное влияние на стоимость драгоценного камня, является обязательным. [45]
Существует несколько способов обработки сапфира. Термическая обработка в восстановительной или окислительной атмосфере (но без использования каких-либо других добавленных примесей) обычно используется для улучшения цвета сапфиров, и этот процесс иногда называют «только нагревом» в торговле драгоценными камнями. Однако, напротив, также часто применяется термическая обработка в сочетании с преднамеренным добавлением определенных специфических примесей (например, бериллия, титана, железа, хрома или никеля, которые поглощаются кристаллической структурой сапфира), и этот процесс может быть известен как «диффузия» в торговле драгоценными камнями. Однако, несмотря на то, что могут предполагать термины «только нагрев» и «диффузия», обе эти категории обработки на самом деле включают в себя процессы диффузии. [46]
Наиболее полное описание существующих методов обработки корунда можно найти в главе 6 книги «Рубин и сапфир: руководство геммолога» (глава, написанная Джоном Эмметом, Ричардом Хьюзом и Троем Р. Дутитом). [5] : 197–247
В 1902 году французский химик Огюст Вернейль объявил о процессе получения синтетических кристаллов рубина . [47] В пламенном плавлении ( процесс Вернейля ) мелкий порошок оксида алюминия добавляется в кислородно-водородное пламя , и оно направляется вниз на керамический пьедестал. [48] После успешного синтеза рубина Вернейль сосредоточил свои усилия на сапфире. Синтез синего сапфира произошел в 1909 году после того, как химический анализ сапфира показал Вернейлю, что причиной синего цвета являются железо и титан. Вернейль запатентовал процесс получения синтетического синего сапфира в 1911 году. [49] [5] : 254–255
Ключ к процессу заключается в том, что порошок оксида алюминия не плавится, падая через пламя. Вместо этого он образует спеченный конус на пьедестале. Когда кончик этого конуса достигает самой горячей части пламени, кончик плавится. Таким образом, рост кристалла начинается с крошечной точки, что обеспечивает минимальную деформацию.
Затем в пламя добавляется больше кислорода, заставляя его гореть немного жарче. Это расширяет растущий кристалл вбок. В то же время пьедестал опускается с той же скоростью, с которой кристалл растет вертикально. Оксид алюминия в пламени медленно осаждается, создавая каплевидную « булю » из сапфирового материала. Этот шаг продолжается до тех пор, пока не будет достигнут желаемый размер, пламя выключается, и кристалл остывает. Теперь удлиненный кристалл содержит много напряжений из-за высокого теплового градиента между пламенем и окружающим воздухом. Чтобы снять это напряжение, теперь пальцеобразный кристалл будет расколот зубилом, чтобы разделить его на две половины. [5] : 249–309
Из-за вертикального слоистого роста кристалла и изогнутой верхней поверхности роста (которая начинается с капли) кристаллы будут демонстрировать изогнутые линии роста, следующие за верхней поверхностью були. Это контрастирует с природными кристаллами корунда, которые имеют угловые линии роста, расширяющиеся из одной точки и следующие за плоскими гранями кристалла. [50]
Химические примеси могут быть добавлены для создания искусственных версий рубина и всех других природных цветов сапфира, а также других цветов, никогда не встречающихся в геологических образцах. Искусственный сапфировый материал идентичен натуральному сапфиру, за исключением того, что его можно изготовить без изъянов, которые встречаются в природных камнях. Недостатком процесса Вернейля является то, что выращенные кристаллы имеют высокие внутренние напряжения. Многие методы производства сапфира сегодня являются вариациями процесса Чохральского , который был изобретен в 1916 году польским химиком Яном Чохральским . [51] В этом процессе крошечный затравочный кристалл сапфира погружают в тигель, сделанный из драгоценного металла иридия или молибдена , [52] содержащий расплавленный оксид алюминия, а затем медленно вытягивают вверх со скоростью от 1 до 100 мм в час. Оксид алюминия кристаллизуется на конце, образуя длинные морковкообразные були большого размера массой до 200 кг. [53]
Синтетический сапфир также производится промышленным способом из агломерированного оксида алюминия, спеченного и сплавленного (например, путем горячего изостатического прессования ) в инертной атмосфере, что дает прозрачный, но слегка пористый поликристаллический продукт. [54]
В 2003 году мировое производство синтетического сапфира составило 250 тонн (1,25 × 10 9 карат), в основном в США и России. [55] [56] Доступность дешевого синтетического сапфира открыла множество промышленных применений этого уникального материала.
Синтетический сапфир, также называемый сапфировым стеклом , обычно используется для небольших окон, поскольку он обладает высокой прозрачностью для длин волн света от 150 нм ( УФ ) до 5500 нм ( ИК ) (видимый спектр простирается примерно от 380 нм до 750 нм [57] ), а также необычайной устойчивостью к царапинам. [58] [59]
Основные преимущества сапфировых окон:
Некоторые окна из сапфирового стекла изготавливаются из чистых сапфировых булей, выращенных в определенной кристаллической ориентации, как правило, вдоль оптической оси, оси c , для минимального двупреломления для данного применения. [60] [61]
Були разрезаются на требуемую толщину окна и, наконец, полируются до желаемой отделки поверхности. Оптические окна из сапфира могут быть отполированы до широкого диапазона отделок поверхности благодаря своей кристаллической структуре и твердости. Отделка поверхности оптических окон обычно называется спецификациями scratch-dig в соответствии с принятой во всем мире спецификацией MIL-O-13830. [ необходимо разъяснение ]
Сапфировые окна используются как в камерах высокого давления, так и в вакуумных камерах для спектроскопии , в кристаллах для часов и в окнах сканеров штрих-кодов в продуктовых магазинах , поскольку исключительная твердость и прочность материала делают его очень устойчивым к царапинам. [55]
В 2014 году Apple израсходовала «четверть мировых поставок сапфира для покрытия линзы камеры и сканера отпечатков пальцев iPhone ». [62]
Было предпринято несколько попыток сделать сапфировые экраны для смартфонов жизнеспособными. Apple заключила контракт с GT Advanced Technologies, Inc. на производство сапфировых экранов для iPhone, но предприятие провалилось, что привело к банкротству GTAT. [ 63] Kyocera Brigadier был первым серийным смартфоном с сапфировым экраном. [64]
Сапфир используется для изготовления торцевых окон некоторых мощных лазерных трубок, поскольку его широкополосная прозрачность и теплопроводность позволяют ему выдерживать очень высокие плотности мощности в инфракрасном и ультрафиолетовом спектре без ухудшения характеристик из-за нагрева.
Один из типов ксеноновых дуговых ламп , первоначально называвшийся «Cermax», а теперь известный как «ксеноновая лампа с керамическим корпусом», использует выходные окна из сапфирового стекла, которые выдерживают более высокие тепловые нагрузки и, следовательно, могут обеспечивать более высокую выходную мощность, чем обычные ксеноновые лампы с окнами из чистого кварца . [65] [66]
Сапфировое окно использовалось для окна оптико-электронной системы наведения истребителя F-35 Lightning 2 из-за его высокой прочности. [67]
Наряду с цирконием и оксинитридом алюминия синтетический сапфир используется для изготовления ударопрочных окон в бронетехнике и различных военных бронежилетах в сочетании с композитными материалами.
Тонкие сапфировые пластины были первым успешным использованием изолирующей подложки , на которую наносился кремний для создания интегральных схем, известных как кремний на сапфире или «SOS»; теперь другие подложки также могут использоваться для класса схем, более известных как кремний на изоляторе . Помимо своих превосходных электроизоляционных свойств, сапфир обладает высокой теплопроводностью . КМОП- чипы на сапфире особенно полезны для высокомощных радиочастотных (РЧ) приложений, таких как те, которые используются в сотовых телефонах , радиостанциях общественной безопасности и системах спутниковой связи . «SOS» также позволяет осуществлять монолитную интеграцию как цифровых , так и аналоговых схем на одном кристалле ИС и создавать схемы с чрезвычайно низким энергопотреблением.
В одном из процессов после выращивания монокристаллических сапфировых булей в них сверлят отверстия в цилиндрические стержни, а затем из этих стержней нарезают пластины. [ необходима цитата ]
Пластины монокристаллического сапфира также используются в полупроводниковой промышленности в качестве подложек для роста устройств на основе нитрида галлия (GaN). Использование сапфира значительно снижает стоимость, поскольку он имеет примерно одну седьмую стоимости германия . Нитрид галлия на сапфире обычно используется в синих светодиодах (LED). [68]
Первый лазер был создан в 1960 году Теодором Майманом с использованием стержня из синтетического рубина . Титан-сапфировые лазеры популярны из-за их относительно редкой способности настраиваться на различные длины волн в красной и ближней инфракрасной области электромагнитного спектра . Они также могут легко синхронизироваться по модам . В этих лазерах синтетически полученный сапфировый кристалл с примесями хрома или титана облучается интенсивным светом от специальной лампы или другого лазера для создания стимулированного излучения .
Монокристаллический сапфир достаточно биосовместим, а исключительно низкий износ пар сапфир–металл привел к внедрению (в Украине) монокристаллов сапфира для эндопротезов тазобедренного сустава . [69]
Подробные таблицы, в которых перечислены более сотни важных и известных рубинов и сапфиров, можно найти в главе 10 книги « Рубин и сапфир: руководство геммолога» . [5] : 380–395
