サファイアの作り方について【前編】

近代科学の発達によって、宝石の結晶がいろいろの元素からできていることが知られてから、多くの人々が元素を混ぜて美しい結晶をつくることをこころみました。人工サファイアの作り方を前後編でお送りします。

ベルヌーイ法

宝石級の結晶の合成に成功したのは、フランスの化学者ベルヌーイで、1881年のことです。
しかし、製法が公開されたのは1902年です。
Al2O3(酸化アルミニウム)の粉を上部のホッパーに入れて、ハンマーでトントンと叩いて粉を少しずつ下へ降ろさせます。
粉は落下する途中で、酸素と水素を混合した2000℃程度の火炎で加熱されて溶け、霧状の液滴になり、種子結晶の上に積もって、円筒状の結晶が成長するのです。
この方法は、原料粉末を酸水素炎で溶かして結晶を成長させますので、火炎溶融法と呼ばれますが、発明者の名前をとってベルヌーイ法とも呼ばれます。

ベルヌーイは3時間で10~15カラットの美しい結晶をつくったといわれていますが、その後装置は改良され、現在は直径10センチメートルくらいの円筒状結晶をつくることができます。原料に酸化クロムを混ぜると、ルビーになります。

溶融引上法 (チョクラルスキー法)

この製造法はポーランドの科学者であるジャン・チョクラルスキーが発明しました。
るつぼの中で溶けている融液に種結晶を接触させて、この種の温度が融液と同じ温度になるのを待って、これを徐々に引き上げて融液を冷却、結晶化させる方法を引上法(チョクラルスキー法)といいます。

融液を攪拌するために引上軸を回転させることによって液中の温度と濃度の分布が一様になり、品質の均一な結晶ができます。この方法の長所は、結晶の成長状態が直接観察でき、育成条件の良否が判別しやすいこと、大きなるつぼを使用することにより、大型単結晶の育成が可能であることです。短所はるつぼの内壁から出る不純物によって、結晶が汚染されることです。またc軸成長ができないため、a軸成長結晶では成長結晶からc面をくりぬくために需要の多いc面基板ではコストが高くなることです。

次回の後編では、この他3種類のサファイアの作り方をご紹介します。

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