摘要

蓝宝石（α-Al₂O₃）是一种性能优异的功能材料，具有高硬度、高热导率、良好的化学稳定性和光学透明性，广泛应用于半导体、LED、光学窗口、激光器件等领域。本文详细探讨了蓝宝石在不同晶向（如C向、M向、R向、A向等）下的热膨胀系数（CTE）和热导率（Thermal Conductivity）的变化规律，并分析其在不同应用场景中的影响。此外，作为专业的蓝宝石材料供应商，我们可提供多种晶向（C、M、R、A、C偏A等）和尺寸（2寸至12寸）的蓝宝石衬底，并可定制镀膜（如增透膜）、光学元器件（蓝宝石棒、柱等），满足半导体、光学及科研领域的需求。

蓝宝石的晶体结构与各向异性

蓝宝石（α-Al₂O₃）属于六方晶系，具有各向异性，即其物理性质（如热膨胀系数、热导率、硬度等）在不同晶向上存在差异。主要晶向包括：
 

· C向（0001）：最常见，用于LED衬底、光学窗口等。
 

· A向（11-20）：机械性能优异，适用于高应力环境。
 

· M向（10-10）：常用于激光器、光学元件。
 

· R向（1-102）：具有特殊的光学性能，适用于某些激光应用。
 

由于晶体结构的各向异性，蓝宝石的热膨胀系数和热导率在不同晶向上表现不同，直接影响器件的热稳定性。

 

蓝宝石的热膨胀系数（CTE）

热膨胀系数（Coefficient of Thermal Expansion, CTE）描述材料在温度变化时的尺寸变化率。蓝宝石的CTE在不同晶向上差异显著：

不同晶向的CTE数据

分析与讨论

· C向蓝宝石：在平行c轴方向（8.3×10⁻⁶/K）比垂直c轴方向（7.5×10⁻⁶/K）膨胀略大，可能导致异质外延生长（如GaN-on-Sapphire）时产生热应力。
 

· A向和M向：CTE接近，适用于需要高热稳定性的光学元件。
 

· R向：CTE较低，适用于高功率激光器，减少热形变。
 

应用影响：在LED外延生长中，GaN与蓝宝石衬底的CTE不匹配会导致翘曲和缺陷，因此需优化晶向选择（如C偏A向可降低应力）。

蓝宝石的热导率（Thermal Conductivity）
 

热导率衡量材料传导热量的能力，蓝宝石的热导率同样具有各向异性：
 

不同晶向的热导率数据（室温）
 

分析与讨论

· C向蓝宝石：沿c轴热导率最高（35 W/m·K），适用于高功率LED和激光器散热。
 

· A向和R向：热导率适中，适合光学窗口和激光基板。
 

· M向：热导率略低，但机械强度高，适用于高应力环境。
 

应用影响：在半导体激光器中，高热导率可有效降低热阻，提高器件寿命。因此，C向蓝宝石常用于高功率器件。

 

晶向选择对器件性能的影响

 

LED行业（GaN-on-Sapphire）

· C向衬底：主流选择，但CTE不匹配可能导致外延层应力。
 

· C偏A向（如偏4°）：可减少缺陷密度，提高LED发光效率。



 

激光器与光学窗口

· R向或A向：低CTE和高热导率组合，减少热形变，适用于高功率激光窗口。



 

高温传感器

· M向：机械强度高，耐高温，适用于恶劣环境。

蓝宝石材料供应与服务

作为专业蓝宝石供应商，上海知明提供：
 

· 多种晶向：C、M、R、A、C偏A等，满足不同热学需求。

· 多种尺寸：2寸、3寸、4寸、6寸、8寸、12寸衬底。

· 定制加工：蓝宝石光学窗口、蓝宝石棒、蓝宝石柱等。

· 镀膜服务：增透膜（AR）、高反射膜（HR）等，提升光学性能。

· 快速供货：大量现货，支持小批量定制。


 

结论
 

蓝宝石的热膨胀系数和热导率具有明显的各向异性，不同晶向适用于不同应用场景：
 

· C向：高热导率，适合LED和激光器。

· A向/M向：机械强度高，适合光学窗口。

· R向：低CTE，适合高功率激光器。
 

合理选择晶向可优化器件热管理，提高性能和可靠性。上海知明提供全面的蓝宝石材料解决方案，助力您的科研与产业发展。
 

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