(57)【要約】本発明は、結晶の内部まで、スカイブルー、マリンブルーと呼ばれるような鮮やかな青色を呈する酸化アルミニウム単結晶を、工業的にリーズナブルなコストで提供することを目的とする。  本発明は、アルミニウムの原子に対するコバルトの濃度が１７００〜１３７００ｐｐｍである原料から、水素―酸素燃焼炎による火炎溶融法によって、結晶を育成する。あるいは、アルミニウムの原子に対するコバルトの濃度が５０００ｐｐｍから２００００ｐｐｍである原料から、回転引上げ法よって、結晶を育成する。その後、酸素分圧が１０−６ａｔｍから１０−９ａｔｍの雰囲気下、所定の温度で熱処理する。この製造方法によって、アルミニウムの原子数に対するコバルトの濃度が５０ｐｐｍから１３０ｐｐｍであり、青色である酸化アルミニウム単結晶を製造することができる。
2017187647.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウムの原子数に対するコバルトの濃度が５０ｐｐｍから１３０ｐｐｍであり、青色である、
ことを特徴とする酸化アルミニウム単結晶。
【請求項２】
光の吸収ピークの波長が、４４０ｎｍ、５５０ｎｍ、５９０ｎｍおよび６３０ｎｍであり、吸収される光の波長が、５１０ｎｍから７４０ｎｍである、
ことを特徴とする請求項１に記載された酸化アルミニウム単結晶。
【請求項３】
波長５９０ｎｍにおける吸収係数が６０ｍ−１から５７０ｍ−１である、
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載された酸化アルミニウム単結晶。
【請求項４】
酸化アルミニウムを主原料とし、アルミニウムの原子数に対するコバルトの濃度が１７００ｐｐｍから１３７００ｐｐｍである原料から、火炎溶融法によって請求項１から請求項３に記載の酸化アルミニウム単結晶を育成する、
ことを特徴とする酸化アルミニウム単結晶の製造方法。
【請求項５】
酸化アルミニウムを主原料とし、アルミニウムの原子数に対するコバルトの濃度が５０００ｐｐｍから２００００ｐｐｍである原料から、回転引上げ法によって請求項１から請求項３に記載の酸化アルミニウム単結晶を育成する、
ことを特徴とする酸化アルミニウム単結晶の製造方法。
【請求項６】
請求項４または請求項５に記載の酸化アルミニウム単結晶を育成する手順を経た後、
酸素分圧が１０−６ａｔｍから１０−９ａｔｍの雰囲気下、所定の温度で熱処理する手順を経る、
ことを特徴とする酸化アルミニウム単結晶の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、青色を呈する酸化アルミニウム単結晶、およびその酸化アルミニウム単結晶の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
天然のブルーサファイアには、鉄とチタンが含まれていることが知られている。また、工業的にも、古くから発色剤として鉄とチタンを結晶中に固溶させたブルーサファイアが製造されている。発色剤として鉄とチタンを結晶中に固溶させた場合、製造されたブルーサファイアは、赤味のある青色となることが知られている（特許文献１）。
また、鉄とチタンに加えて、発色剤としてニッケルを結晶中に固溶させ、赤味のないスカイブルーに発色させる製造方法が提案されている（特許文献２）。
一方、スパッタリングなどのイオン注入法によって、コバルトを結晶中に固溶させることで、青色に発色することが知られている。このイオン注入法では、コバルトは結晶の表面付近にのみ固溶する（特許文献３および非特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第３９４０５８１号
【特許文献２】特許第４８２８２８５号
【特許文献３】特許第５４６３３５２号
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Ｎｕｃｌｅａｒ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄｓ  ｉｎ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ｓｅｃｔｉｏｎ  Ｂ：Ｂｅａｍ  Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｓ  ｗｉｔｈ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  ａｎｄ  Ａｔｏｍｓ，Ｖｏｌｕｍｅｓ  ５９−６０，Ｐａｒｔ  ２，１  Ｊｕｌｙ  １９９１，Ｐａｇｅｓ  １１７３−１１７６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
スカイブルー、マリンブルーと呼ばれるような鮮やかな青色を呈し、かつ結晶の内部まで青色となった酸化アルミニウム単結晶はこれまでに報告されていない。
発色剤として鉄とチタンを固溶させた酸化アルミニウム単結晶は、４５０ｎｍから７００ｎｍにブロードな吸収帯を有する。そのため、この酸化アルミニウム単結晶は、４００ｎｍから４５０ｎｍの波長を持つ青色の光が透過し、少し紫色がかった深い紺色となる。この発色は、鉄とチタンの電荷移動によるものと言われており、鉄のみを固溶させた場合では発色せず、４価のチタンが存在することが必要である。
酸化アルミニウム単結晶の結晶中に複数の発色剤を固溶させた場合、発色剤が結晶の外周部に偏析しやすく、酸化アルミニウム単結晶の色が不均一になり、鮮やかに発色する酸化アルミニウム単結晶を得ることが困難であるという問題があった。
また、イオン注入法によって、コバルトを結晶に固溶した場合、結晶の表面部分は青色に着色するが、結晶の内部は青色に着色しない。そのため、結晶の内部まで青色である酸化アルミニウム単結晶を得ることはできていない。さらに、イオン注入装置は高価で、処理能力が低いため、目的の酸化アルミニウム単結晶の生産性が低い。
本発明は、結晶の内部まで、スカイブルー、マリンブルーと呼ばれるような鮮やかな青色を呈する酸化アルミニウム単結晶を、工業的に妥当なコストで提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
青色を呈する酸化アルミニウム単結晶を得るために、種々のドーパントについて、その量を変更して実験を行った。その結果、アルミニウムの原子数に対して５０ｐｐｍから１３０ｐｐｍのコバルトを含む酸化アルミニウム単結晶は青色を呈することがわかった。
この酸化アルミニウム単結晶は、吸収ピークを、波長４４０ｎｍ、５５０ｎｍ、５９０ｎｍおよび６３０ｎｍに有し、５１０ｎｍから７４０ｎｍの波長の光を吸収することを特徴とする。さらに、この酸化アルミニウム単結晶は、吸収波長５９０ｎｍにおける吸収係数αが、６０ｍ−１から５７０ｍ−１であることを特徴とする。
本発明に係る酸化アルミニウム単結晶の製造方法は、酸化アルミニウムを主原料とし、アルミニウムの原子数に対し１７００ｐｐｍから１３７００ｐｐｍとなるようにコバルトを混合させた原料から火炎溶融法によって、青色を呈する酸化アルミニウム単結晶を育成することを特徴とする。
また、本発明に係る酸化アルミニウム単結晶の製造方法は、酸化アルミニウムを主原料とし、アルミニウムの原子数に対するコバルトの濃度が５０００ｐｐｍから２００００ｐｐｍの原料から回転引上げ法によって、青色を呈する酸化アルミニウム単結晶を育成することを特徴とする。
さらに、本発明に係る酸化アルミニウム単結晶の製造方法は、火炎溶融法または回転引上げ法によって酸化アルミニウム単結晶を育成した後に、酸素分圧が１０−６ａｔｍから１０−９ａｔｍの雰囲気下、所定の温度で熱処理することを特徴とする。ここで、所定の温度とは、１４００℃以上、酸化アルミニウム単結晶の融点以下の温度をいい、炉材などの制約から高温で雰囲気を制御することは困難な場合が多いことから、１８００℃以下の温度が望ましい。
【発明の効果】
【０００７】
本発明は、アルミニウムの原子数に対しコバルトの濃度が５０ｐｐｍから１３０ｐｐｍであり、青色を呈する酸化アルミニウム単結晶を提供する。この酸化アルミニウム単結晶は赤味がなく、結晶の内部まで青色を呈する。
本発明に係る酸化アルミニウム単結晶は、吸収ピークを波長４４０ｎｍ、５５０ｎｍ、５９０ｎｍおよび６３０ｎｍに有し、５１０ｎｍから７４０ｎｍの波長の光を吸収するため、緑色、黄色および赤色の光を吸収し、強く鮮やかな青色を呈する。
本発明に係る酸化アルミニウム単結晶は、波長５９０ｎｍにおける吸収係数αが６０ｍ−１から５７０ｍ−１であり、黄色の光が吸収され、補色である青色が強く呈色する。
本発明に係る酸化アルミニウム単結晶の製造方法は、酸化アルミニウムを主成分とし、アルミニウムの原子数に対するコバルトの濃度が１７００ｐｐｍから１３７００ｐｐｍである原料から、火炎溶融法によって単結晶を育成することで、アルミニウムの原子数に対するコバルトの濃度が５０ｐｐｍから１３０ｐｐｍの青色の酸化アルミニウム単結晶を製造することができる。
また、本発明に係る酸化アルミニウム単結晶の製造方法は、アルミニウムの原子数に対するコバルトの濃度が５０００ｐｐｍから２００００ｐｐｍである原料から、回転引上げ法によって単結晶を育成することで、アルミニウムの原子数に対するコバルトの濃度が６０ｐｐｍから１１０ｐｐｍの青色の酸化アルミニウム単結晶を製造することができる。
また、原料から結晶を育成させた後に、酸素分圧が１０−６から１０−９ａｔｍの雰囲気下、所定の温度で熱処理を行うことで、赤みがなく、内部まで鮮やかな青色を呈する酸化アルミニウム単結晶を得ることができる。
上記製造方法により、発色剤としてコバルトのみを使用し、内部まで青色を呈するサファイアを製造することができる。そのため、アクセサリーや時計などに使用できる実用サイズの青色を呈するサファイアを妥当なコストで提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
図１は、本発明の実施形態に係る酸化アルミニウム単結晶の透過率測定の結果を示す図である。
図２は、本発明の実施形態に係る酸化アルミニウム単結晶の透過率測定の結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明に関する実施形態について、詳細に説明する。この実施形態は、本発明の構成を具現化した例示に過ぎず、特許請求の範囲に記載した事項を逸脱することがなければ種々の設計変更を行うことができる。
第１実施形態
本実施形態に係る酸化アルミニウム単結晶の製造方法は、酸化アルミニウムを主原料とし、アルミニウムの原子数に対するコバルトの濃度が１７００ｐｐｍから１３７００ｐｐｍである原料から、火炎溶融法によって単結晶を育成する手順と、単結晶を育成する手順を経た後、酸素分圧が１０−９ａｔｍの雰囲気下、１５００℃の温度で熱処理する手順を経て、酸化アルミニウム単結晶を生成する。
酸化アルミニウム単結晶の原料として、酸化アルミニウムと酸化コバルトを使用した。
【実施例】
【００１０】
（実施例１〜実施例５）
酸化アルミニウムに、アルミニウムの原子数に対するコバルトの濃度が１７００ｐｐｍから１３７００ｐｐｍとなるように、酸化コバルトを混合させ、原料（出発原料）を生成した。そして、この原料から水素―酸素燃焼炎による火炎溶融法によって、単結晶を育成した。
結晶育成方向：［１１−２０］
結晶育成速度：１０ｍｍ／ｈ
次に、この単結晶を、ａ面が平面となるように切断および研磨し、３ｍｍの厚さの試料を作成した。
そして、試料を高純度アルミナチューブの管状型電気炉の中で、所定の酸素分圧（１０−９ａｔｍ）のガスを流しながら、１５００℃で５０時間熱処理を行った。
酸素分圧は、窒素ガスに、水素＋水蒸気を所定の割合になるように含ませることにより、調節した。
（比較例１〜比較例３）
比較例１では、アルミニウムの原子数に対するコバルトの濃度が８５０ｐｐｍである原料を生成した。そして、実施例１〜５と同様の条件で、原料から火炎溶融法によって、結晶を育成し、熱処理を行った。比較例２では、アルミニウムの原子数に対するコバルトの濃度が６４００ｐｐｍである原料を生成し、原料から火炎溶融法によって結晶を育成した。なお、育成後の結晶の熱処理は行わなかった。比較例３では、アルミニウムの原子数に対する、鉄の濃度が３００ｐｐｍおよびチタンの濃度が６００ｐｐｍである原料を生成し、火炎溶融法によって結晶を育成した。なお、育成後の結晶の熱処理は行わなかった。
実施例および比較例で得られた酸化アルミニウム単結晶の色の観察、透過率の測定およびＩＣＰ分析を行った。その結果を表１に示す。なお、表１において、コバルト濃度がカッコ書きで示されているものは、透過率測定を行い、ＩＣＰ分析値と透過率の検量線から求めた推定値である。検量線は、４つの試料について大気中１６５０℃で熱処理した後、透過率測定およびＩＣＰ分析を行い、得られたＩＣＰ分析値と波長４４０ｎｍの透過率から作成した。
【表１】
2017187647.tif 000003
ＩＣＰ分析の結果から、実施例１から実施例５で得られた酸化アルミニウム単結晶には、アルミニウムの原子数に対し５０ｐｐｍから１３０ｐｐｍのコバルトが含有していることが確認できた。
また、酸化アルミニウム単結晶の色を観察したところ、実施例１の酸化アルミニウム単結晶は、青色で一部が緑色に呈色していた。実施例２〜実施例５の酸化アルミニウム単結晶は、青色に呈色していた。
一方、比較例１において、熱処理後の酸化アルミニウム単結晶は、アルミニウムの原子数に対し３０ｐｐｍのコバルトが含有し、青色に呈色せず、緑色に呈色していた。また、比較例２において、熱処理を行わなかった酸化アルミニウム単結晶は、青色に呈色せず、緑色で一部が茶色に呈色した。
以上の結果から、アルミニウムの原子数に対するコバルトの濃度が１７００ｐｐｍから１３７００ｐｐｍの原料から、水素―酸素燃焼炎による火炎溶融法によって、結晶を育成し、その後、酸素分圧が１０−９ａｔｍの雰囲気中、１５００℃の温度で熱処理することにより、青色である酸化アルミニウム単結晶を製造することができることが分かった。
なお、熱処理工程を経ず、結晶育成時の雰囲気を制御することで、本発明の青色の酸化アルミニウム単結晶が得られることもあるが、育成時に雰囲気を制御することは困難な場合が多く、酸化アルミニウム単結晶に色むらが存在することが多い。そのため、熱処理工程を経ることで、色むらが少なく、内部まで青色を呈する酸化アルミニウム単結晶を得ることができる。
また、熱処理後に検出されたコバルト量は、結晶の育成時に原料に含まれるコバルトの量よりも、約１桁〜２桁少ないが、これは偏析によるものと考えられる。結晶中にはそれほど多くのコバルトを固溶することができないためだと考えられる。
第２実施形態
本実施形態に係る酸化アルミニウム単結晶の製造方法は、酸化アルミニウムを主原料とし、アルミニウム原子数に対するコバルトの濃度が５０００ｐｐｍから２００００ｐｐｍである原料から、回転引上げ法によって単結晶を育成する手順を経た後、酸素分圧が１０−６ａｔｍから１０−９ａｔｍの雰囲気下、所定の温度で熱処理する手順を経て、酸化アルミニウム単結晶を生成する。
ここで、所定の温度とは、１４００℃以上、酸化アルミニウム単結晶の融点以下の温度をいう。１４００℃より低い温度で熱処理した場合、酸化アルミニウム単結晶が青色に着色するのに長時間を要する。一方、高温で融点以下の温度で熱処理することも可能であるが、炉材などの制約から高温で雰囲気を制御することは困難な場合が多いことから、１８００℃以下の温度が望ましい。そのため、本実施形態では、１４００℃から１８００℃の温度で熱処理を行った。
（実施例６〜実施例１３）
実施例６〜１３では、酸化アルミニウムに、アルミニウム原子数に対しコバルトの濃度が５０００ｐｐｍから２００００ｐｐｍとなるように酸化コバルトを混合することで原料（出発原料）を生成し、坩堝に充填した。そして、回転引上装置（いわゆるチョクラルスキー法：ＣＺ法）を使用して、以下の条件により結晶を育成した。
引き上げ方向：［００１］
引き上げ速度：０．５ｍｍ／ｈ
結晶回転数：１０ｒｐｍ
育成した結晶を、ｃ面が平面となるように切断および研磨し、厚さ３ｍｍの試料を作成した。そして、この試料に対し、１４００℃から１８００℃で熱処理を行った。
試料を１６００℃以下の温度で熱処理する場合には、高純度アルミナチューブの管状型電気炉の中で、所定の酸素分圧（１０−６ａｔｍから１０−９ａｔｍ）のガスを流しながら、１４００℃から１６００℃で５０時間熱処理を行った。
試料を１８００℃で熱処理する場合には、タングステンをヒーターとし、タングステンの金属板で覆われた電気炉の中で、酸素分圧が１０−９ａｔｍとなるようにガスを流しながら、５時間熱処理を行った。
酸素分圧は、第１実施形態と同様に、窒素ガスに、水素＋水蒸気を所定の割合になるように含ませることで、調節した。
（比較例４〜比較例６）
比較例４では、アルミニウムの原子数に対するコバルトの濃度が３０００ｐｐｍの原料を生成した。そして、実施例６〜１３と同様の条件で、混合物を回転引上げ法によって結晶を育成し、酸素分圧が１０−９ａｔｍの雰囲気下、１５００℃で熱処理を行った。比較例５では、アルミニウムの原子数に対しコバルトの濃度が１００００ｐｐｍの原料を生成し、回転引上げ法によって結晶を育成した。なお、育成後の結晶の熱処理は行わなかった。比較例６では、アルミニウムの原子数に対しコバルトの濃度が１００００ｐｐｍの原料を生成し、回転引上げ法によって結晶を育成した。育成後の結晶は、酸素分圧が１０−１０ａｔｍの雰囲気下、１５００℃で熱処理を行った。
実施例および比較例で得られた酸化アルミニウム単結晶の色の観察、透過率の測定、ＩＣＰ分析を行った。その結果を表２に示す。なお、表１と同様に、得られたＩＣＰ分析値と透過率から検量線を作成し、検量線から求めたコバルトの濃度の推定値をかっこ書きで示している。
【表２】
2017187647.tif 000004
ＩＣＰ分析の結果から、実施例６〜実施例１３で得られた酸化アルミニウム単結晶には、アルミニウムの原子数に対し６０ｐｐｍから１１０ｐｐｍのコバルトが含有していることが確認できた。
また、酸化アルミニウム単結晶の色を観察したところ、実施例６、実施例１１および実施例１３で得られた酸化アルミニウム単結晶は、緑色で一部が青色に呈色していた。その他、実施例で得られた酸化アルミニウム単結晶は、青色に呈色していた。また、アルミニウムの原子数に対するコバルトの濃度を高くするにつれて青色の濃さが増すことが分かった。
一方、比較例４において、熱処理後の酸化アルミニウム単結晶は、アルミニウムの原子数に対し２６ｐｐｍのコバルトが含有され、青色に呈色せず、緑色に呈色した。このことから、出発原料において、アルミニウムの原子数に対するコバルトの濃度が５０００ｐｐｍより低いとき、酸化アルミニウム単結晶は青色に呈色しないことが分かった。
また、比較例５において、熱処理を行わなかった酸化アルミニウム単結晶は、アルミニウムの原子数に対し８５ｐｐｍのコバルトが含有されていたが、青色に呈色せず、緑色に呈色した。比較例６において、酸素分圧を１０−１０ａｔｍで熱処理をした場合、酸化アルミニウム単結晶は、茶色に呈色した。このことから、熱処理における酸素分圧が１０−９ａｔｍよりも低い場合、および、酸素分圧が１０−６ａｔｍよりも高い場合、酸化アルミニウム単結晶は青色に呈色しないことが分かった。
以上の結果から、アルミニウムの原子数に対するコバルトの濃度が５０００ｐｐｍから２００００ｐｐｍの原料から、回転引上げ法によって酸化アルミニウム単結晶を育成し、その後、酸素分圧が１０−６ａｔｍから１０−９ａｔｍの雰囲気中、１４００℃以上１８００℃以下の温度で熱処理することにより、青色である酸化アルミニウム単結晶を製造することができることが分かった。
なお、第１実施形態と同様に、熱処理工程を経ず、結晶育成時の雰囲気を制御することで、本発明の青色の酸化アルミニウム単結晶が得られることもあるが、育成時に雰囲気を制御することは困難な場合が多く、酸化アルミニウム単結晶に色むらが存在することが多い。そのため、熱処理工程を経ることで、色むらが少なく、内部まで青色を呈する酸化アルミニウム単結晶を得ることができる。
次に、第１実施形態および第２実施形態で作製した酸化アルミニウム単結晶の透過率を測定した結果を図１および図２に示した。
青色に呈色した酸化アルミニウム単結晶（実施例１０）は、光の吸収ピークを４４０ｎｍ、５５０ｎｍ、５９０ｎｍおよび６３０ｎｍに有し、特に５１０ｎｍから７４０ｎｍの波長の光を吸収することが分かった。熱処理を行っていない緑色の酸化アルミニウム単結晶（比較例５）の吸収ピークと比較すると、青色の波長である４４０ｎｍの吸収が小さくなり、５００ｎｍから６７０ｎｍの吸収が大きくなることが分かった。５００ｎｍから５６０ｎｍは緑色の光であり、５６０ｎｍから６００ｎｍは黄色の光であり、６００ｎｍから７５０ｎｍは赤色の光であることから、これらの波長の光の吸収が大きくなり、青色が強く鮮やかになっている。
従来からブルーサファイアとして知られている鉄とチタンをドープした酸化アルミニウム単結晶（比較例３）の透過スペクトルは、５００ｎｍから７００ｎｍにブロードな吸収帯を有し、鮮やかな青色にはならないことを示している。本実施形態における酸化アルミニウム単結晶は、５００ｎｍに吸収ピークがなく、赤味のない青色になっていることを確認できた。
次に、本実施形態で作製した酸化アルミニウム単結晶の透過率測定により得られたスペクトルから、吸収波長５９０ｎｍにおける吸収係数αを算出した。５９０ｎｍの波長は、吸収が大きく、緑色の結晶と対比がしやすい波長である。５９０ｎｍは黄色の光の波長であるため、５９０ｎｍの波長の吸収が大きいと補色である青色が強くなるため、この波長の吸収係数を算出した。
第１実施形態に係る酸化アルミニウム単結晶の５９０ｎｍにおける吸収係数αは、７０ｍ−１から５７０ｍ−１であった。一方、第２実施形態に係る酸化アルミニウム単結晶の５９０ｎｍにおける吸収係数αは、６０ｍ−１から２６０ｍ−１であった。
このことから、青色に呈色した酸化アルミニウム単結晶の５９０ｎｍにおける吸収係数αは、６０ｍ−１から５７０ｍ−１の範囲であり、青色が強く呈色することが分かった。
なお、本実施形態では、発色剤として酸化コバルトを使用したが、例えば、炭酸コバルトやシュウ酸コバルト等を使用することもできる。また、熱処理で使用する酸素分圧は、アルゴン、窒素などの不活性雰囲気ガスに、水素＋水蒸気または一酸化炭素＋二酸化炭素を所定の割合になるように含ませることで調節することもできる。
【産業上の利用可能性】
【００１１】
発色剤としてコバルトのみを使用し、内部まで青色を呈するサファイアを製造することができ、アクセサリーや時計などに使用できる実用サイズの青色を呈するサファイアを妥当なコストで製造できる。
【図１】
2017187647.tif 000005
【図２】
2017187647.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】平成30年5月24日(2018.5.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、青色を呈する酸化アルミニウム単結晶、およびその酸化アルミニウム単結晶の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
天然のブルーサファイアには、鉄とチタンが含まれていることが知られている。また、工業的にも、古くから発色剤として鉄とチタンを結晶中に固溶させたブルーサファイアが製造されている。発色剤として鉄とチタンを結晶中に固溶させた場合、製造されたブルーサファイアは、赤味のある青色となることが知られている（特許文献１）。
また、鉄とチタンに加えて、発色剤としてニッケルを結晶中に固溶させ、赤味のないスカイブルーに発色させる製造方法が提案されている（特許文献２）。
一方、スパッタリングなどのイオン注入法によって、コバルトを結晶中に固溶させることで、青色に発色することが知られている。このイオン注入法では、コバルトは結晶の表面付近にのみ固溶する（特許文献３および非特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第３９４０５８１号
【特許文献２】特許第４８２８２８５号
【特許文献３】特許第５４６３３５２号
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Ｎｕｃｌｅａｒ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｉｎ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｓｅｃｔｉｏｎ Ｂ: Ｂｅａｍ Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｓ ｗｉｔｈ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｎｄ Ａｔｏｍｓ, Ｖｏｌｕｍｅｓ ５９−６０, Ｐａｒｔ ２, １ Ｊｕｌｙ １９９１, Ｐａｇｅｓ １１７３−１１７６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
スカイブルー、マリンブルーと呼ばれるような鮮やかな青色を呈し、かつ結晶の内部まで青色となった酸化アルミニウム単結晶はこれまでに報告されていない。
発色剤として鉄とチタンを固溶させた酸化アルミニウム単結晶は、４５０ｎｍから７００ｎｍにブロードな吸収帯を有する。そのため、この酸化アルミニウム単結晶は、４００ｎｍから４５０ｎｍの波長を持つ青色の光が透過し、少し紫色がかった深い紺色となる。この発色は、鉄とチタンの電荷移動によるものと言われており、鉄のみを固溶させた場合では発色せず、４価のチタンが存在することが必要である。
酸化アルミニウム単結晶の結晶中に複数の発色剤を固溶させた場合、発色剤が結晶の外周部に偏析しやすく、酸化アルミニウム単結晶の色が不均一になり、鮮やかに発色する酸化アルミニウム単結晶を得ることが困難であるという問題があった。
また、イオン注入法によって、コバルトを結晶に固溶した場合、結晶の表面部分は青色に着色するが、結晶の内部は青色に着色しない。そのため、結晶の内部まで青色である酸化アルミニウム単結晶を得ることはできていない。さらに、イオン注入装置は高価で、処理能力が低いため、目的の酸化アルミニウム単結晶の生産性が低い。
【０００６】
本発明は、結晶の内部まで、スカイブルー、マリンブルーと呼ばれるような鮮やかな青色を呈する酸化アルミニウム単結晶を、工業的に妥当なコストで提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
青色を呈する酸化アルミニウム単結晶を得るために、種々のドーパントについて、その量を変更して実験を行った。その結果、アルミニウムの原子数に対して５０ｐｐｍから１３０ｐｐｍのコバルトを含む酸化アルミニウム単結晶は青色を呈することがわかった。
この酸化アルミニウム単結晶は、吸収ピークを、波長４４０ｎｍ、５５０ｎｍ、５９０ｎｍおよび６３０ｎｍに有し、５１０ｎｍから７４０ｎｍの波長の光を吸収することを特徴とする。さらに、この酸化アルミニウム単結晶は、吸収波長５９０ｎｍにおける吸収係数αが、６０ｍ−１から５７０ｍ−１であることを特徴とする。
【０００８】
本発明に係る酸化アルミニウム単結晶の製造方法は、酸化アルミニウムを主原料とし、アルミニウムの原子数に対し１７００ｐｐｍから１３７００ｐｐｍとなるようにコバルトを混合させた原料から火炎溶融法によって、上記の青色を呈する酸化アルミニウム単結晶を育成することを特徴とする。
【０００９】
また、本発明に係る酸化アルミニウム単結晶の製造方法は、酸化アルミニウムを主原料とし、アルミニウムの原子数に対するコバルトの濃度が５０００ｐｐｍから２００００ｐｐｍの原料から回転引上げ法によって、上記の青色を呈する酸化アルミニウム単結晶を育成することを特徴とする。
【００１０】
さらに、本発明に係る酸化アルミニウム単結晶の製造方法は、火炎溶融法または回転引上げ法によって酸化アルミニウム単結晶を育成した後に、酸素分圧が１０−６ａｔｍから１０−９ａｔｍの雰囲気下、所定の温度で熱処理することを特徴とする。ここで、所定の温度とは、１４００℃以上、酸化アルミニウム単結晶の融点以下の温度をいい、炉材などの制約から高温で雰囲気を制御することは困難な場合が多いことから、１８００℃以下の温度が望ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明は、アルミニウムの原子数に対しコバルトの濃度が５０ｐｐｍから１３０ｐｐｍであり、青色を呈する酸化アルミニウム単結晶を提供する。この酸化アルミニウム単結晶は赤味がなく、結晶の内部まで青色を呈する。
本発明に係る酸化アルミニウム単結晶は、吸収ピークを波長４４０ｎｍ、５５０ｎｍ、５９０ｎｍおよび６３０ｎｍに有し、５１０ｎｍから７４０ｎｍの波長の光を吸収するため、緑色、黄色および赤色の光を吸収し、強く鮮やかな青色を呈する。
本発明に係る酸化アルミニウム単結晶は、波長５９０ｎｍにおける吸収係数αが６０ｍ−１から５７０ｍ−１であり、黄色の光が吸収され、補色である青色が強く呈色する。
本発明に係る酸化アルミニウム単結晶の製造方法は、酸化アルミニウムを主成分とし、アルミニウムの原子数に対するコバルトの濃度が１７００ｐｐｍから１３７００ｐｐｍである原料から、火炎溶融法によって単結晶を育成することで、アルミニウムの原子数に対するコバルトの濃度が５０ｐｐｍから１３０ｐｐｍの青色の酸化アルミニウム単結晶を製造することができる。
【００１２】
また、本発明に係る酸化アルミニウム単結晶の製造方法は、アルミニウムの原子数に対するコバルトの濃度が５０００ｐｐｍから２００００ｐｐｍである原料から、回転引上げ法によって単結晶を育成することで、アルミニウムの原子数に対するコバルトの濃度が６０ｐｐｍから１１０ｐｐｍの青色の酸化アルミニウム単結晶を製造することができる。
また、原料から結晶を育成させた後に、酸素分圧が１０−６から１０−９ａｔｍの雰囲気下、所定の温度で熱処理を行うことで、赤みがなく、内部まで鮮やかな青色を呈する酸化アルミニウム単結晶を得ることができる。
上記製造方法により、発色剤としてコバルトのみを使用し、内部まで青色を呈するサファイアを製造することができる。そのため、アクセサリーや時計などに使用できる実用サイズの青色を呈するサファイアを妥当なコストで提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、本発明の実施形態に係る酸化アルミニウム単結晶の透過率測定の結果を示す図である。
【図２】図２は、本発明の実施形態に係る酸化アルミニウム単結晶の透過率測定の結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明に関する実施形態について、詳細に説明する。この実施形態は、本発明の構成を具現化した例示に過ぎず、特許請求の範囲に記載した事項を逸脱することがなければ種々の設計変更を行うことができる。
【００１５】
［第１実施形態］
本実施形態に係る酸化アルミニウム単結晶の製造方法は、酸化アルミニウムを主原料とし、アルミニウムの原子数に対するコバルトの濃度が１７００ｐｐｍから１３７００ｐｐｍである原料から、火炎溶融法によって単結晶を育成する手順と、単結晶を育成する手順を経た後、酸素分圧が１０−９ａｔｍの雰囲気下、１５００℃の温度で熱処理する手順を経て、酸化アルミニウム単結晶を生成する。
酸化アルミニウム単結晶の原料として、酸化アルミニウムと酸化コバルトを使用した。
【００１６】
（実施例１〜実施例５）
酸化アルミニウムに、アルミニウムの原子数に対するコバルトの濃度が１７００ｐｐｍから１３７００ｐｐｍとなるように、酸化コバルトを混合させ、原料（出発原料）を生成した。そして、この原料から水素―酸素燃焼炎による火炎溶融法によって、単結晶を育成した。
結晶育成方向：［１１−２０]
結晶育成速度：１０ｍｍ／ｈ
次に、この単結晶を、ａ面が平面となるように切断および研磨し、３ｍｍの厚さの試料を作成した。
そして、試料を高純度アルミナチューブの管状型電気炉の中で、所定の酸素分圧（１０−９ａｔｍ）のガスを流しながら、１５００℃で５０時間熱処理を行った。
酸素分圧は、窒素ガスに、水素＋水蒸気を所定の割合になるように含ませることにより、調節した。
【００１７】
（比較例１〜比較例３）
比較例１では、アルミニウムの原子数に対するコバルトの濃度が８５０ｐｐｍである原料を生成した。そして、実施例１〜５と同様の条件で、原料から火炎溶融法によって、結晶を育成し、熱処理を行った。比較例２では、アルミニウムの原子数に対するコバルトの濃度が６４００ｐｐｍである原料を生成し、原料から火炎溶融法によって結晶を育成した。なお、育成後の結晶の熱処理は行わなかった。比較例３では、アルミニウムの原子数に対する、鉄の濃度が３００ｐｐｍおよびチタンの濃度が６００ｐｐｍである原料を生成し、火炎溶融法によって結晶を育成した。なお、育成後の結晶の熱処理は行わなかった。
実施例および比較例で得られた酸化アルミニウム単結晶の色の観察、透過率の測定およびＩＣＰ分析を行った。その結果を表１に示す。なお、表１において、コバルト濃度がカッコ書きで示されているものは、透過率測定を行い、ＩＣＰ分析値と透過率の検量線から求めた推定値である。検量線は、４つの試料について大気中１６５０℃で熱処理した後、透過率測定およびＩＣＰ分析を行い、得られたＩＣＰ分析値と波長４４０ｎｍの透過率から作成した。
【００１８】
【表１】
2017187647.tif 000007
【００１９】
ＩＣＰ分析の結果から、実施例１から実施例５で得られた酸化アルミニウム単結晶には、アルミニウムの原子数に対し５０ｐｐｍから１３０ｐｐｍのコバルトが含有していることが確認できた。
また、酸化アルミニウム単結晶の色を観察したところ、実施例１の酸化アルミニウム単結晶は、青色で一部が緑色に呈色していた。実施例２〜実施例５の酸化アルミニウム単結晶は、青色に呈色していた。
【００２０】
一方、比較例１において、熱処理後の酸化アルミニウム単結晶は、アルミニウムの原子数に対し３０ｐｐｍのコバルトが含有し、青色に呈色せず、緑色に呈色していた。また、比較例２において、熱処理を行わなかった酸化アルミニウム単結晶は、青色に呈色せず、緑色で一部が茶色に呈色した。
以上の結果から、アルミニウムの原子数に対するコバルトの濃度が１７００ｐｐｍから１３７００ｐｐｍの原料から、水素―酸素燃焼炎による火炎溶融法によって、結晶を育成し、その後、酸素分圧が１０−９ａｔｍの雰囲気中、１５００℃の温度で熱処理することにより、青色である酸化アルミニウム単結晶を製造することができることが分かった。
なお、熱処理工程を経ず、結晶育成時の雰囲気を制御することで、本発明の青色の酸化アルミニウム単結晶が得られることもあるが、育成時に雰囲気を制御することは困難な場合が多く、酸化アルミニウム単結晶に色むらが存在することが多い。そのため、熱処理工程を経ることで、色むらが少なく、内部まで青色を呈する酸化アルミニウム単結晶を得ることができる。
【００２１】
また、熱処理後に検出されたコバルト量は、結晶の育成時に原料に含まれるコバルトの量よりも、約１桁〜２桁少ないが、これは偏析によるものと考えられる。結晶中にはそれほど多くのコバルトを固溶することができないためだと考えられる。
【００２２】
［第２実施形態］
本実施形態に係る酸化アルミニウム単結晶の製造方法は、酸化アルミニウムを主原料とし、アルミニウム原子数に対するコバルトの濃度が５０００ｐｐｍから２００００ｐｐｍである原料から、回転引上げ法によって単結晶を育成する手順を経た後、酸素分圧が１０−６ａｔｍから１０−９ａｔｍの雰囲気下、所定の温度で熱処理する手順を経て、酸化アルミニウム単結晶を生成する。
ここで、所定の温度とは、１４００℃以上、酸化アルミニウム単結晶の融点以下の温度をいう。１４００℃より低い温度で熱処理した場合、酸化アルミニウム単結晶が青色に着色するのに長時間を要する。一方、高温で融点以下の温度で熱処理することも可能であるが、炉材などの制約から高温で雰囲気を制御することは困難な場合が多いことから、１８００℃以下の温度が望ましい。そのため、本実施形態では、１４００℃から１８００℃の温度で熱処理を行った。
【００２３】
（実施例６〜実施例１３）
実施例６〜１３では、酸化アルミニウムに、アルミニウム原子数に対しコバルトの濃度が５０００ｐｐｍから２００００ｐｐｍとなるように酸化コバルトを混合することで原料（出発原料）を生成し、坩堝に充填した。そして、回転引上装置（いわゆるチョクラルスキー法：ＣＺ法）を使用して、以下の条件により結晶を育成した。
引き上げ方向：［００１］
引き上げ速度：０．５ｍｍ／ｈ
結晶回転数：１０ｒｐｍ
育成した結晶を、ｃ面が平面となるように切断および研磨し、厚さ３ｍｍの試料を作成した。そして、この試料に対し、１４００℃から１８００℃で熱処理を行った。
試料を１６００℃以下の温度で熱処理する場合には、高純度アルミナチューブの管状型電気炉の中で、所定の酸素分圧（１０−６ａｔｍから１０−９ａｔｍ）のガスを流しながら、１４００℃から１６００℃で５０時間熱処理を行った。
試料を１８００℃で熱処理する場合には、タングステンをヒーターとし、タングステンの金属板で覆われた電気炉の中で、酸素分圧が１０−９ａｔｍとなるようにガスを流しながら、５時間熱処理を行った。
酸素分圧は、第１実施形態と同様に、窒素ガスに、水素＋水蒸気を所定の割合になるように含ませることで、調節した。
【００２４】
（比較例４〜比較例６）
比較例４では、アルミニウムの原子数に対するコバルトの濃度が３０００ｐｐｍの原料を生成した。そして、実施例６〜１３と同様の条件で、混合物を回転引上げ法によって結晶を育成し、酸素分圧が１０−９ａｔｍの雰囲気下、１５００℃で熱処理を行った。比較例５では、アルミニウムの原子数に対しコバルトの濃度が１００００ｐｐｍの原料を生成し、回転引上げ法によって結晶を育成した。なお、育成後の結晶の熱処理は行わなかった。比較例６では、アルミニウムの原子数に対しコバルトの濃度が１００００ｐｐｍの原料を生成し、回転引上げ法によって結晶を育成した。育成後の結晶は、酸素分圧が１０−１０ａｔｍの雰囲気下、１５００℃で熱処理を行った。
実施例および比較例で得られた酸化アルミニウム単結晶の色の観察、透過率の測定、ＩＣＰ分析を行った。その結果を表２に示す。なお、表１と同様に、得られたＩＣＰ分析値と透過率から検量線を作成し、検量線から求めたコバルトの濃度の推定値をかっこ書きで示している。
【００２５】
【表２】
2017187647.tif 000008
【００２６】
ＩＣＰ分析の結果から、実施例６〜実施例１３で得られた酸化アルミニウム単結晶には、アルミニウムの原子数に対し６０ｐｐｍから１１０ｐｐｍのコバルトが含有していることが確認できた。
また、酸化アルミニウム単結晶の色を観察したところ、実施例６、実施例１１および実施例１３で得られた酸化アルミニウム単結晶は、緑色で一部が青色に呈色していた。その他、実施例で得られた酸化アルミニウム単結晶は、青色に呈色していた。また、アルミニウムの原子数に対するコバルトの濃度を高くするにつれて青色の濃さが増すことが分かった。
【００２７】
一方、比較例４において、熱処理後の酸化アルミニウム単結晶は、アルミニウムの原子数に対し２６ｐｐｍのコバルトが含有され、青色に呈色せず、緑色に呈色した。このことから、出発原料において、アルミニウムの原子数に対するコバルトの濃度が５０００ｐｐｍより低いとき、酸化アルミニウム単結晶は青色に呈色しないことが分かった。
また、比較例５において、熱処理を行わなかった酸化アルミニウム単結晶は、アルミニウムの原子数に対し８５ｐｐｍのコバルトが含有されていたが、青色に呈色せず、緑色に呈色した。比較例６において、酸素分圧を１０−１０ａｔｍで熱処理をした場合、酸化アルミニウム単結晶は、茶色に呈色した。このことから、熱処理における酸素分圧が１０−９ａｔｍよりも低い場合、および、酸素分圧が１０−６ａｔｍよりも高い場合、酸化アルミニウム単結晶は青色に呈色しないことが分かった。
【００２８】
以上の結果から、アルミニウムの原子数に対するコバルトの濃度が５０００ｐｐｍから２００００ｐｐｍの原料から、回転引上げ法によって酸化アルミニウム単結晶を育成し、その後、酸素分圧が１０−６ａｔｍから１０−９ａｔｍの雰囲気中、１４００℃以上１８００℃以下の温度で熱処理することにより、青色である酸化アルミニウム単結晶を製造することができることが分かった。
なお、第１実施形態と同様に、熱処理工程を経ず、結晶育成時の雰囲気を制御することで、本発明の青色の酸化アルミニウム単結晶が得られることもあるが、育成時に雰囲気を制御することは困難な場合が多く、酸化アルミニウム単結晶に色むらが存在することが多い。そのため、熱処理工程を経ることで、色むらが少なく、内部まで青色を呈する酸化アルミニウム単結晶を得ることができる。
【００２９】
次に、第１実施形態および第２実施形態で作製した酸化アルミニウム単結晶の透過率を測定した結果を図１および図２に示した。
青色に呈色した酸化アルミニウム単結晶（実施例１０）は、光の吸収ピークを４４０ｎｍ、５５０ｎｍ、５９０ｎｍおよび６３０ｎｍに有し、特に５１０ｎｍから７４０ｎｍの波長の光を吸収することが分かった。熱処理を行っていない緑色の酸化アルミニウム単結晶（比較例５）の吸収ピークと比較すると、青色の波長である４４０ｎｍの吸収が小さくなり、５００ｎｍから６７０ｎｍの吸収が大きくなることが分かった。５００ｎｍから５６０ｎｍは緑色の光であり、５６０ｎｍから６００ｎｍは黄色の光であり、６００ｎｍから７５０ｎｍは赤色の光であることから、これらの波長の光の吸収が大きくなり、青色が強く鮮やかになっている。
【００３０】
従来からブルーサファイアとして知られている鉄とチタンをドープした酸化アルミニウム単結晶（比較例３）の透過スペクトルは、５００ｎｍから７００ｎｍにブロードな吸収帯を有し、鮮やかな青色にはならないことを示している。本実施形態における酸化アルミニウム単結晶は、５００ｎｍに吸収ピークがなく、赤味のない青色になっていることを確認できた。
【００３１】
次に、本実施形態で作製した酸化アルミニウム単結晶の透過率測定により得られたスペクトルから、吸収波長５９０ｎｍにおける吸収係数αを算出した。５９０ｎｍの波長は、吸収が大きく、緑色の結晶と対比がしやすい波長である。５９０ｎｍは黄色の光の波長であるため、５９０ｎｍの波長の吸収が大きいと補色である青色が強くなるため、この波長の吸収係数を算出した。
【００３２】
第１実施形態に係る酸化アルミニウム単結晶の５９０ｎｍにおける吸収係数αは、７０ｍ−１から５７０ｍ−１であった。一方、第２実施形態に係る酸化アルミニウム単結晶の５９０ｎｍにおける吸収係数αは、６０ｍ−１から２６０ｍ−１であった。
このことから、青色に呈色した酸化アルミニウム単結晶の５９０ｎｍにおける吸収係数αは、６０ｍ−１から５７０ｍ−１の範囲であり、青色が強く呈色することが分かった。
なお、本実施形態では、発色剤として酸化コバルトを使用したが、例えば、炭酸コバルトやシュウ酸コバルト等を使用することもできる。また、熱処理で使用する酸素分圧は、アルゴン、窒素などの不活性雰囲気ガスに、水素＋水蒸気または一酸化炭素＋二酸化炭素を所定の割合になるように含ませることで調節することもできる。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
発色剤としてコバルトのみを使用し、内部まで青色を呈するサファイアを製造することができ、アクセサリーや時計などに使用できる実用サイズの青色を呈するサファイアを妥当なコストで製造できる。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発色剤としてコバルトを含有し、光の吸収ピークの波長が、４４０ｎｍ、５５０ｎｍ、５９０ｎｍおよび６３０ｎｍであり、吸収される光の波長が、５１０ｎｍから７４０ｎｍであり、
波長５９０ｎｍにおける吸収係数が６０ｍ−１から５７０ｍ−１であり、
青色である、
ことを特徴とする酸化アルミニウム単結晶。
【請求項２】
アルミニウムの原子数に対するコバルトの濃度が５０ｐｐｍから１３０ｐｐｍである、
ことを特徴とする請求項１に記載の酸化アルミニウム単結晶。
【請求項３】
酸化アルミニウムを主原料とし、アルミニウムの原子数に対するコバルトの濃度が１７００ｐｐｍから１３７００ｐｐｍである原料から、火炎溶融法によって請求項１または請求項２に記載の酸化アルミニウム単結晶を育成する、
ことを特徴とする酸化アルミニウム単結晶の製造方法。
【請求項４】
酸化アルミニウムを主原料とし、アルミニウムの原子数に対するコバルトの濃度が５０００ｐｐｍから２００００ｐｐｍである原料から、回転引上げ法によって請求項１または請求項２に記載の酸化アルミニウム単結晶を育成する、
ことを特徴とする酸化アルミニウム単結晶の製造方法。
【請求項５】
請求項３または請求項４に記載の酸化アルミニウム単結晶を育成する手順を経た後、
酸素分圧が１０−６ａｔｍから１０−９ａｔｍの雰囲気下、所定の温度で熱処理する手順を経る、
ことを特徴とする酸化アルミニウム単結晶の製造方法。
【国際調査報告】
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