冷坩埚法生长和合成立方氧化锆晶体
冷坩埚法生长ZrO2 _ 2晶体可以追溯到1969年，当时法国科学家鲁林等人用高频电源加热冷坩埚进行晶体生长。虽然设备简单，但生长出了稳定剂Y2O3为12.5%的立方氧化锆小晶体，但这项研究一直没有开展。1972前苏联列别捷夫物理研究所V.I.Alekasadrov领导的研究小组改进了鲁林的技术，生长出更大的晶体，并向美国和其他国家申请了专利。1976 ~ 1979先后获得英国、德国、美国专利。1976之后，前苏联逐渐将这种水晶出售给宝石市场，代替天然钻石。在此期间，美国Ceres公司也进行了研究，改进了冷坩埚系统并申请了专利权，生产了大量宝石用合成立方氧化锆晶体。中国从1982开始研究，很快量产成功。是世界上能大量供应直拉晶体的国家之一。
CZ晶体容易长成各种颜色的晶体，颜色艳丽。CZ晶体不仅用作宝石，还是优良的光学材料和激光基质材料。
一、高频冷坩埚技术的工作原理
1.基本原则
众所周知，一般高温非金属材料在室温下是介电材料，电阻率高，介电损耗低，很难用高频电磁场直接熔化。但实验表明，这些材料的熔体导电性良好，为高频加热技术提供了条件。
高频冷坩埚技术不使用专用坩埚，而是直接用待生长的晶体材料作为“坩埚”，使其内部熔化，外壳不熔化；它的巧妙之处是在外面加了一个冷却装置，吸收表层的热量，使表层不熔化，形成一层未熔化的外壳，起到坩埚的作用。这就是“冷坩埚”。内部已经熔化的晶体材料通过坩埚下降法的晶体生长原理结晶和生长。
2.熔化过程
要熔化高温非金属材料，必须通过一种方法形成一个小的熔化区，用作导电“籽晶”熔体。最简单的方法是在材料中心放置少量相应的金属片或粉末，打开高频电源，利用金属感应加热和快速氧化放热，先熔化少量原料(见图4-1-2)。
图4-1-2熔化过程示意图
在局部熔化区，吸收的功率和氧化释放的热量之和大于(至少等于)熔化区散发的热量和熔化材料所需的热量吸收之和，因此熔化区可以扩大。实践表明，这一段时间很短，金属很快被氧化，形成一个空心球熔化区(如图4-1-2(a))。熔化区的大小与输入功率有关。当输入功率增加时(主要是在初始阶段增加电压)，熔化区扩大直至平衡(如图4-1-2(b))。对于不同的材料，热导率越大，所需的输入功率就越大。
二、高频冷坩埚技术及设备
高频冷坩埚技术的成套设备由高频振荡装置、冷坩埚系统、晶体生长下拉装置三部分组成(见图4-1-3)。
图4-1-3冷坩埚法晶体生长装置示意图
1.高频电源
根据熔化非金属材料的原理和工艺要求(以氧化锆为例)，高频电源应具有以下特点:
1)1 ~ 6 MHz工作频率稳定，可调节。
2)工作配合良好，适应从轻负载(额定值10%)到重负载(110%)的变化要求，在过压下工作不会损坏或击穿元器件。
3)功率可调，即阳极电压可在30%至130%(额定值)范围内均匀调节，最好有可靠的稳压功能。
4)能长时间连续运行。由于要求的特殊性，没有现成的高频电源可供选择。用于高频冷坩埚技术的设备是专门设计的。该电源具有以下特点:振荡回路采用频率相对稳定的电容三点式振荡器。这种电路具有频率稳定、波形好、结构简单等优点，在较高频率下不易受寄生电路的影响，但很难起振。
2.冷坩埚系统
冷坩埚系统是晶体生长的关键设备之一。必须能通过高频电场，支持内部温度在3000℃以上的熔体而不被熔化。其组成是:
1)水冷铜管弯成双“U”形，间隙1 ~ 1.5 mm，保证了高频电磁能量的顺利穿透。由于内部水流顺畅，很容易形成“冷壳”来支撑熔体。
2)水冷底座由三部分组成，中间绝缘，有效切断高频感应电流，提高效率。底座分为上腔和下腔，上腔供水，下腔排水，上腔和下腔分别与上铜管两端焊接。
3)下面是玻璃钢制成的绝缘支架，与下拉机构的金属部分绝缘。
3.下拉装置和调速系统
下拉机构采用丝杠蜗轮传动机构，由DC力矩发电机和电动机组拖动。电机速度可调，调速精度高，保证晶体生长的稳定性。DC扭矩单元由专门设计的脉宽调制控制器供电，该控制器具有速度反馈和电压反馈的两个闭环调节，以确保恒定的速度要求。
第三，合成立方氧化锆晶体的生长
1.原材料的准备
生产立方氧化锆的主要原料是ZrO2粉，原料中TiO2和Fe2O3的含量较高，一般质量分数小于0.03%，以保证生长出的晶体呈黄色，透明度好。稳定剂为高纯Y2O3，颜色洁白细腻。
为了生长有色晶体，需要掺杂一定量的杂质元素，如稀土元素氧化物和过渡族元素氧化物，如表4-1-4所示。将ZrO2和Y2O3按9∶1mol的比例混合，加入相应的杂质元素，混合均匀备用。
表4-1-4CZ晶体中常见的掺杂剂和颜色
2.晶体生长过程
将混合好的原料放入冷坩埚中，在上面放少量锆片，接通电源升压使原料熔化。待原料熔化后，熔体稳定一段时间，待电压、电流、栅电流基本稳定后，缓慢放下坩埚。此时由于下部的冷却，底部会发生自发成核。随着坩埚的下降，一些具有生长优势的晶核迅速生长，排挤其他小晶体生长成晶列。一般来说，直径d=250mm的坩埚的典型工作参数为:电压9 ~ 10 kV，电流7 ~ 10A，栅极电流1 ~ 1.5A，坩埚下降速度3 ~ 15 mm/h..生长完成后，慢慢降低功率，让晶体退火一段时间，关闭电源，自然冷却至室温，取出晶块。点击打开并分离完整的晶体块。
冷坩埚技术的其他应用和最新发展
冷坩埚技术自1976投入工业应用以来，有了很大的发展。
在高频冷坩埚设备方面，继俄罗斯之后，美国、中国等国家已成功开发并扩大产能，并投入商业生产，每年生产数百吨ZrO2 _ 2晶体。冷坩埚直径扩大到400mm以上，装料量从几公斤扩大到1200公斤，每次可生产近400公斤氧化锆晶体。设备的稳定性大大提高，并实现了自动控制。
直拉晶体的研究也取得了很大进展。现在几乎各种水晶都可以生产，尤其是最近投放市场的蓝绿水晶，蓝宝石的蓝色，祖母绿的绿色都可以模仿。