表层离子植入法案例分析

（一）表层离子植入法处理人工合成无色蓝宝石（肖志松等，2000）

1.表层离子植入法工艺

利用金属蒸气真空弧（MEVVA）离子源将铁离子、钴离子、铬离子、钛离子和钕离子注入人工合成的无色蓝宝石。在一定的注入条件下和退火过程中，获得了不同颜色的蓝宝石。

采用人工合成的无色蓝宝石作为衬底材料，分别植入铁离子、钴离子、铬离子和钛离子，加速电压45k V，离子的平均能量为80～100keV，离子植入量为1×1017cm-2时，样品呈灰白色；离子植入量为3×1017cm-2时，样品颜色加深，呈灰褐色。

2.后处理工艺——热处理

在剂量为1×1017cm-2的植入条件下，实验样品经热处理后，分别出现下列情况：

（1）在650℃时退火，植入铁离子的蓝宝石样品变成了浅黄色；植入其他离子的蓝宝石样品，颜色没有变化。

（2）退火温度升到850℃时，植入铁离子的蓝宝石样品，颜色加深至橘黄色；植入钴离子的蓝宝石样品，呈浅蓝色；植入其他两种离子的蓝宝石样品，颜色呈灰白色甚至更浅。

（3）退火温度上升到1000℃时，植入铁离子的蓝宝石样品，橘黄色更深；植入钴离子的蓝宝石样品，蓝色继续加深；植入铬离子和钛离子的蓝宝石样品，颜色继续褪色变浅。

（4）退火温度继续上升到1150℃时，植入铁离子的蓝宝石样品，深橘黄色开始变浅；植入钴离子的蓝宝石样品，从深蓝色也开始变浅；植入铬离子和钛离子的蓝宝石样品，变成无色透明的。

3.植入剂量与颜色的关系

离子植入量为3×1017cm-2时，蓝宝石样品经不同温度退火后，其颜色变化规律与离子植入量为1×1017cm-2的颜色变化规律相同。不同之处仅仅在于退火温度相同时剂量大的蓝宝石样品颜色更深。

4.使用钕离子植入珠宝玉石(www.xing528.com)

实验证明，在相同剂量下植入钕离子，蓝宝石的颜色稍深。

由此可见，利用表层离子植入法可以改变珠宝玉石的颜色，但所用设备比较贵重，成本比较高，植入的颜色层很薄，植入后蓝宝石的颜色并不理想，若植入处理后再抛光，可能会破坏颜色。在实践中，此法较少使用。

（二）表层离子注入法在山东蓝色蓝宝石优化处理中的应用

此部分为《离子注入技术在山东蓝色蓝宝石优化处理中的应用》（程佑法等，2009）的部分内容摘要：

1.实验条件

（1）注入铍离子（Be2+）：采用LC24型高能离子注入装置，在300ke V的离子能量条件下，以金属铍为钯源，注入时间为65h，离子剂量强度为1.6×1016ions/cm2。

（2）注入钛离子（Ti4+）：金属蒸气真空弧离子源（MEVVA）装置，实验电压45k V，电流1m A，剂量5×106ion，束流面积直径120mm，计数1900。

2.实验结果

（1）注入铍离子（Be2+）后，山东蓝色蓝宝石的表面光泽明显增强，表面光洁度保持良好；颜色较前更深，说明注入的铍离子（Be2+）虽然不是致色离子，但可对蓝宝石颜色产生明显的影响。

（2）注入钛离子（Ti4+）后，山东蓝色蓝宝石的颜色变浅、变艳了。证明山东蓝色蓝宝石的颜色深是由亚铁离子的浓度高，而钛离子浓度相对太低所致，注入钛离子后，其比例得到了改善，故颜色变浅、变艳，但仅仅与原来样品比有改善，离优化处理的目标还相差较远。

总的来说，采用表层离子注入法优化处理山东蓝色蓝宝石的效果，到目前为止还不理想，需要进一步的研究开发。