导读：LED节能灯的开发是我国实现“十二五”节能减排目标、应对全球气候变化做出的积极贡献。LED节能灯，需要大量的合成蓝宝石晶体和合成碳硅石晶体。LED节能灯的大规模开发，一定程度上依赖于要有大量质量合格的合成蓝宝石和合成碳硅石晶体供应。本文将介绍LED节能灯的结构和特点，以及无色蓝宝石高质量大单晶生长的“泡生提拉法”工艺以及“升华法碳硅石单晶生长”方法等。

      LED是Light Emitting Diode的缩写，也就是发光二极管，它是一种固态的半导体器件，可以直接把电能转化为光。LED的心脏是一个半导体的晶片，而这个半导体晶片是在一个基体上外延生长一层半导体薄膜。目前应用的基体有单晶硅、碳硅石晶体以及无色蓝宝石晶体，而碳硅石晶体和无色蓝宝石晶体是人工宝石中的一部分。LED节能灯的开发则需要大量的碳硅石晶体或无色蓝宝石晶体供应，这就势必造成这两种人工宝石需求量的增加，随之带来其生产设备、生产原料、操作的技术工人的增加等等，故对人工宝石产业有很大的影响。

      为什么要开发LED节能灯
     

      比起传统的白炽灯以及普通节能灯，LED节能灯有着许多优点。
      节能、亮度高。白光LED的能耗仅为白炽灯的1/10，是普通节能灯的1/4；且相同功率下亮度是白炽灯的10倍。
      超长寿命。其寿命为5万小时，是传统钨丝灯寿命的50倍以上。LED采用可靠的先进封装工艺——共晶焊，能充分保障LED的超长寿命，很方便运输和安装，不怕振动，对普通家庭照明可谓“一劳永逸”。
　　可以工作在高速状态。普通节能灯如果频繁的启动或关断，灯丝就会发黑，会坏掉，LED灯没有这个问题。在技术方面LED灯用配光技术使点光源扩展为面光源，增大发光面，消除眩光，升华视觉效果，消除视觉疲劳；另外，LED灯无频闪，纯直流工作，也可消除传统光源频闪引起的视觉疲劳。
      绿色环保。不含铅、汞等污染元素，对环境没有任何污染。
      耐冲击，无紫外线（UV）和红外线（IR）辐射。无灯丝及玻璃外壳，没有传统灯管碎裂问题，对人体无伤害、无辐射。
　　宽电压范围，全球通用。AC 85V~ 264V全电压范围恒流，寿命及亮度不受电压波动影响。
　　降低线路损耗，对电网无污染。功率因数≥0.9，谐波失真≤20%，降低了供电线路的电能损耗和避免了对电网的高频干扰污染。
      通用标准灯头。可直接替换现有卤素灯、白炽灯、荧光灯。
      由上述优点可见，LED节能灯相比传统光源具有许多优势，值得进一步研究。

      LED节能灯的基体材料
     

      LED节能灯必须在一个基体上生长一层半导体薄膜，这个基体材料目前主要有三种：蓝宝石、碳硅石和单晶硅。目前单晶硅基体的LED灯生产技术不成熟，国外主要用蓝宝石和碳硅石基体的LED灯。由于天然蓝宝石中的杂质比较多，不适合做LED节能灯的基体材料；碳硅石在自然界中很少，并且纯度不高，所以在LED节能灯中用的蓝宝石和碳硅石基体材料，都是人工合成的宝石。
      LED节能灯的开发与发展，需要大量的合成蓝宝石晶体和合成碳硅石晶体，这将会带动我国人工宝石产业的发展。事实上，从我国“十二五规划”发表以后，国内有很多单位投入了大量资金用于蓝宝石和碳硅石的人工合成。但到目前为止，碰到了较多问题。有不少厂家倒闭了，有一些厂家免强在维持。
      据了解，我国最多时有1000多台“泡生提拉法”蓝宝石晶体生长炉，目前仅200多台在生产。究其原因，LED节能灯的大规模开发，要依靠大量合格的合成蓝宝石和合成碳硅石晶体供应，但我国在这方面尚存在一些问题，包括如何确保原料及时供应以及原料纯度的问题。

      LED基体材料的合成方法及生产工艺

      1. 无色蓝宝石晶体的合成
      用于LED灯的无色蓝宝石晶体要求很高，晶体的纯度要达到5个9（99.999%）。在宝石学上，蓝宝石是指除了红色刚玉以外所有颜色的刚玉类宝石，颜色包括无色、蓝色、黄色、绿色、变色等，可用于LED节能灯的蓝宝石是合成无色蓝宝石。用于LED节能灯的无色合成蓝宝石晶体，目前主要用“泡生提拉法”生长。
      “泡生提拉法”是一种在“晶体提拉法”生长人工合成宝石的基础上进行改进的方法，就是不把整个晶体用提拉杆拉出来，而是将晶体拉到一定高度后只旋转不拉升，使晶体生长时不粘连在坩埚上。
      合成无色蓝宝石时，首先要将纯净的原料装入坩埚中。坩埚上方装有可旋转和升降的提拉杆。杆的下端有一个籽晶夹具，其上装有一粒定向的无色蓝宝石籽晶。将坩埚加热到2050℃以上，降低提拉杆，使籽晶插入熔体中。控制熔体的温度，使液面温度略高于熔点，使熔体在籽晶表面生长。之后缓慢向上提拉和转动晶杆籽晶就逐渐长大，直至完成宝石晶体的缩颈—扩肩—等径生长—收尾的生长过程。
      整个生长装置需安放在一个外罩里，以便抽真空后充入惰性气体，使生长环境中保持所需要的气体和压强。通过外罩上的窗口可观察晶体生长情况，以便随时调节温度，使晶体生长过程正常进行，用这种方法可以生长出大直径高质量的晶体。目前，“泡生提拉法”获得的单个晶体重量最大可到85公斤。
      因为用于LED灯的无色蓝宝石对晶体纯度要求很高，所以，提供进行无色蓝宝石晶体“泡生提拉法”生长的原料的纯度的要求也需要达到5个9（99.999%）。用于“泡生提拉法”生长无色蓝宝石晶体的原料有三种：粉末、压成粉饼和无色蓝宝石小晶体。在实际生产中，原料通常使用无色蓝宝石小晶体。目前提供小蓝宝石晶体的方法主要有“焰熔法”和“冷坩埚熔壳法”两种。
      2. 合成碳硅石晶体的合成
      自1955年莱利采用升华法生长出了碳硅石晶体以来，世界各国的科学家一直在研究与改进合成碳硅石晶体的技术。我国山东大学晶体材料国家重点实验室在合成碳硅石技术的研究上取得了重大进展。
      因为碳化硅的一些特殊物理、化学性质，人们一般选用升华法生长碳硅石。在此工艺中，采用高频感应线圈加热合成碳硅石的原料粉末，使原料粉末在石墨坩埚中加热升华成气态，不经过液态直接在晶种上结晶，最后生长出优质梨晶状的碳硅石单晶。
      由于碳硅石单晶生长的技术难度比较大，故到目前为止，能生长碳硅石单晶的单位并不多，主要集中在研究所和高校。　　
      所以，LED节能灯的结构离不开半导体发光薄膜的基体材料——合成碳硅石单晶和无色蓝宝石单晶。而合成碳硅石单晶和无色蓝宝石单晶属于我国人工宝石产业的一部分。LED节能灯必然要大量生产，所以，需要大量生产质量合格的合成碳硅石单晶和无色蓝宝石单晶才能确保供应。因此LED节能灯的开发必然会带动我国人工宝石产业的发展，我国人工宝石产业的前景非常广阔。