Sapphire
The 423-carat (85 g) blue Logan Sapphire
General
Category	oxide mineral
Formula (repeating unit)	aluminium oxide, Al2O3
Identification
Color	often blue, but varies
Crystal habit	massive and granular
Crystal system	Trigonal Symbol (32/m) Space Group: R3c
Fracture	conchoidal, splintery
Mohs scale hardness	9.0
Luster	vitreous
Streak	white
Specific gravity	3.95–4.03
Optical properties	Abbe number 72.2
Refractive index	nω=1.768–1.772 nε=1.760–1.763, Birefringence 0.008
Pleochroism	strong
Melting point	2,030–2,050 °C
Fusibility	infusible
Solubility	Insoluble
Other characteristics	coefficient of thermal expansion (5.0–6.6)×10−6/K relative permittivity at 20 °C ε = 8.9–11.1 (anisotropic) [1]

Sapphire (Greek: σάπφειρος; sappheiros, 'blue stone',^[2] which probably referred instead at the time to lapis lazuli) is a gemstone variety of the mineral corundum, an aluminium oxide (α-Al₂O₃). Trace amounts of elements such as iron, titanium, chromium, copper, or magnesium can give corundum respectively blue, yellow, purple, orange, or green color. Chromium impurities in corundum yield pink or red tint, the latter being called ruby.

Commonly, sapphires are worn in jewelry. Sapphires may be found naturally, by searching through certain sediments (due to their resistance to being eroded compared to softer stones) or rock formations. They also may be manufactured for industrial or decorative purposes in large crystal boules. Because of the remarkable hardness of sapphires—9 on the Mohs scale (the third hardest mineral, right behind diamond at 10 and moissanite at 9.25)—and of aluminium oxide in general, sapphires are used in some non-ornamental applications, including infrared optical components, such as in scientific instruments; high-durability windows; wristwatch crystals and movement bearings; and very thin electronic wafers, which are used as the insulating substrates of very special-purpose solid-state electronics (especially integrated circuits and GaN-based LEDs).

§Natural sapphires

An uncut, rough yellow sapphire found at the Spokane Sapphire Mine near Helena, Montana

The sapphire is one of the three gem-varieties of corundum, the other two being ruby – defined as corundum in a shade of red—and padparadscha—a pinkish orange variety. Although blue is their most well-known color, sapphires may also be colorless and they are found in many colors including shades of gray and black.

The cost of natural sapphires varies depending on their color, clarity, size, cut, and overall quality – as well as their geographic origin. Significant sapphire deposits are found in Eastern Australia, Thailand, Sri Lanka, China (Shandong), Madagascar, East Africa, and in North America in a few locations, mostly in Montana.^[3] Sapphire and rubies are often found in the same geographic environment, but one of the gems is usually more abundant in any of the sites.^[4]

§Blue sapphire

Pear-shaped blue sapphire

Color in gemstones breaks down into three components: hue, saturation, and tone. Hue is most commonly understood as the "color" of the gemstone. Saturation refers to the vividness or brightness of the hue, and tone is the lightness to darkness of the hue.^[5] Blue sapphire exists in various mixtures of its primary (blue) and secondary hues, various tonal levels (shades) and at various levels of saturation (vividness).

Blue sapphires are evaluated based upon the purity of their primary hue. Purple, violet, and green are the most common secondary hues found in blue sapphires.^[6] Violet and purple can contribute to the overall beauty of the color, while green is considered to be distinctly negative. Blue sapphires with up to 15% violet or purple are generally said to be of fine quality. Blue sapphires with any amount of green as a secondary hue are not considered to be fine quality. Gray is the normal saturation modifier or mask found in blue sapphires. Gray reduces the saturation or brightness of the hue, and therefore has a distinctly negative effect.^[6]

The color of fine blue sapphires may be described as a vivid medium dark violet to purplish blue where the primary blue hue is at least 85% and the secondary hue no more than 15%, without the least admixture of a green secondary hue or a gray mask.^[5]

The 423-carat (84.6 g) Logan sapphire in the National Museum of Natural History, in Washington, D.C., is one of the largest faceted gem-quality blue sapphires in existence.

Dark blue sapphire, probably of Australian origin, showing the brilliant surface luster typical of faceted corundum gemstones.

§Sapphires of other colors

Pink sapphire

Yellow and green sapphires are also commonly found. Pink sapphires deepen in color as the quantity of chromium increases. The deeper the pink color the higher their monetary value, as long as the color is tending toward the red of rubies. In the United States, a minimum color saturation must be met to be called a ruby, otherwise the stone is referred to as a pink sapphire.^[7]

Sapphires also occur in shades of orange and brown. Colorless sapphires are sometimes used as diamond substitutes in jewelry. Natural padparadscha (pinkish orange) sapphires often draw higher prices than many of even the finest blue sapphires. Recently, more sapphires of this color have appeared on the market as a result of a new artificial treatment method called "lattice diffusion".^[8]

§Padparadscha

Faceted padparadscha

Padparadscha is a delicate light to medium toned pink-orange to orange-pink hue corundum, originally found in Sri Lanka,^[9] but also found in deposits in Vietnam and parts of East Africa. Padparadscha sapphires are rare; the rarest of all is the totally natural variety, with no sign of artificial treatment.^[10]

The name is derived from the Sanskrit "padma ranga" (padma = lotus; ranga = color), a color akin to the lotus flower (Nelumbo nucifera ‘Speciosa’).^[11]

§Star sapphire

Star sapphire

A star sapphire is a type of sapphire that exhibits a star-like phenomenon known as asterism; red stones are known as "star rubies". Star sapphires contain intersecting needle-like inclusions following the underlying crystal structure that causes the appearance of a six-rayed "star"-shaped pattern when viewed with a single overhead light source. The inclusion is often the mineral rutile, a mineral composed primarily of titanium dioxide.^[12] The stones are cut en cabochon, typically with the center of the star near the top of the dome. Occasionally, twelve-rayed stars are found, typically because two different sets of inclusions are found within the same stone, such as a combination of fine needles of rutile with small platelets of hematite; the first results in a whitish star and the second results in a golden-colored star. During crystallisation, the two types of inclusions become preferentially oriented in different directions within the crystal, thereby forming two six-rayed stars that are superimposed upon each other to form a twelve-rayed star.^[13] Misshapen stars or 12-rayed stars may also form as a result of twinning. The inclusions can alternatively produce a "cat's eye" effect^[14] if the 'face-up' direction of the cabochon's dome is oriented perpendicular to the crystal's c-axis rather than parallel to it. If the dome is oriented in between these two directions, an 'off-center' star will be visible, offset away from the high point of the dome.^[10]

The Black Star of Queensland, the largest gem-quality star sapphire in the world, weighs 733 carats.^[15] The Star of India (mined in Sri Lanka) (weighing 563.4 carats) is thought to be the second-largest star sapphire (the largest blue), and is currently on display at the American Museum of Natural History in New York City. The 182-carat Star of Bombay, (mined in Sri Lanka), located in the National Museum of Natural History, in Washington, D.C., is another example of a large blue star sapphire. The value of a star sapphire depends not only on the weight of the stone, but also the body color, visibility, and intensity of the asterism.

§Color change sapphire

A rare variety of natural sapphire, known as color-change sapphire, exhibits different colors in different light. Color change sapphires are blue in outdoor light and purple under incandescent indoor light, or green to gray-green in daylight and pink to reddish-violet in incandescent light. Color change sapphires come from a variety of locations, including Thailand and Tanzania. The color-change effect is caused by the interaction of the sapphire, which absorbs specific wavelengths of light, and the light-source, whose spectral output varies depending upon the illuminant. Transition-metal impurities in the sapphire, such as chromium and vanadium, are responsible for the color change.^[16]

Certain synthetic color-change sapphires have a similar color change to the natural gemstone alexandrite and they are sometimes marketed as "alexandrium" or "synthetic alexandrite". However, the latter term is a misnomer: synthetic color-change sapphires are, technically, not synthetic alexandrites but rather alexandrite simulants. This is because genuine alexandrite is a variety of chrysoberyl: not sapphire, but an entirely different mineral.^[17]

§Source of color

Crystal structure of sapphire

Sapphire ring made circa 1940

Rubies are corundum which contain chromium impurities that absorb yellow-green light and result in deeper ruby red color with increasing content.^[18] Purple sapphires contain trace amounts of vanadium and come in a variety of shades. Corundum that contains ~0.01% of titanium is colorless. If trace amounts of iron are present, a very pale yellow to green color may be seen. However, if both titanium and iron impurities are present together, and in the correct valence states, the result is a deep-blue color.^[19]

Unlike localized ("intra-atomic") absorption of light which causes color for chromium and vanadium impurities, blue color in sapphires comes from intervalence charge transfer, which is the transfer of an electron from one transition-metal ion to another via the conduction or valence band. The iron can take the form Fe²⁺ or Fe³⁺, while titanium generally takes the form Ti⁴⁺. If Fe²⁺ and Ti⁴⁺ ions are substituted for Al³⁺, localized areas of charge imbalance are created. An electron transfer from Fe²⁺ and Ti⁴⁺ can cause a change in the valence state of both. Because of the valence change there is a specific change in energy for the electron, and electromagnetic energy is absorbed. The wavelength of the energy absorbed corresponds to yellow light. When this light is subtracted from incident white light, the complementary color blue results. Sometimes when atomic spacing is different in different directions there is resulting blue-green dichroism.

Intervalence charge transfer is a process that produces a strong colored appearance at a low percentage of impurity. While at least 1% chromium must be present in corundum before the deep red ruby color is seen, sapphire blue is apparent with the presence of only 0.01% of titanium and iron.

§Treatments

Sapphires may be treated by several methods to enhance and improve their clarity and color.^[20] It is common practice to heat natural sapphires to improve or enhance color. This is done by heating the sapphires in furnaces to temperatures between 500 and 1800 °C for several hours, or by heating in a nitrogen-deficient atmosphere oven for seven days or more. Upon heating, the stone becomes more blue in color, but loses some of the rutile inclusions (silk). When high temperatures are used, the stone loses all silk (inclusions) and it becomes clear under magnification.^[21] The inclusions in natural stones are easily seen with a jeweler's loupe. Evidence of sapphire and other gemstones being subjected to heating goes back at least to Roman times.^[22] Un-heated natural stones are somewhat rare and will often be sold accompanied by a certificate from an independent gemological laboratory attesting to "no evidence of heat treatment".

Yogo sapphire

Yogo sapphires sometimes do not need heat treating because their cornflower blue coloring is uniform and deep, they are generally free of the characteristic inclusions, and they have high uniform clarity.^[23] When Intergem Limited began marketing the Yogo in the 1980s as the world's only guaranteed untreated sapphire, heat treatment was not commonly disclosed; by 1982 the heat treatment became a major issue.^[24] At that time, 95% of all the world's sapphires were being heated to enhance their natural color.^[25] Intergem's marketing of guaranteed untreated Yogos set them against many in the gem industry. This issue appeared as a front page story in the Wall Street Journal on August 29, 1984 in an article by Bill Richards, Carats and Schticks: Sapphire Marketer Upsets The Gem Industry.^[25]

Diffusion treatments are used to add impurities to the sapphire to enhance color. Typically beryllium is diffused into a sapphire under very high heat, just below the melting point of the sapphire. Initially (c. 2000) orange sapphires were created, although now the process has been advanced and many colors of sapphire are often treated with beryllium. The colored layer can be removed when stones chip or are repolished or refaceted, depending on the depth of the impurity layer. Treated padparadschas may be very difficult to detect, and many stones are certified by gemological labs (e.g., Gubelin, SSEF, AGTA).

According to United States Federal Trade Commission guidelines, disclosure is required of any mode of enhancement that has a significant effect on the gem's value.^[26]

There are several ways of treating sapphire. Heat-treatment in a reducing or oxidising atmosphere (but without the use of any other added impurities) is commonly used to improve the color of sapphires, and this process is sometimes known as "heating only" in the gem trade. In contrast, however, heat treatment combined with the deliberate addition of certain specific impurities (e.g. beryllium, titanium, iron, chromium or nickel, which are absorbed into the crystal structure of the sapphire) is also commonly performed, and this process can be known as "diffusion" in the gem trade. However, despite what the terms "heating only" and "diffusion" might suggest, both of these categories of treatment actually involve diffusion processes.^[27]

§Mining

Sapphire from Madagascar

Sapphires are mined from alluvial deposits or from primary underground workings. Commercial mining locations for sapphire and ruby include (but are not limited to) the following countries: Afghanistan, Australia, Myanmar/Burma, Cambodia, China, Colombia, India, Kenya, Laos, Madagascar, Malawi, Nepal, Nigeria, Pakistan, Sri Lanka, Tajikistan, Tanzania, Thailand, USA, and Vietnam. Sapphires from different geographic locations may have different appearances or chemical-impurity concentrations, and tend to contain different types of microscopic inclusions. Because of this, sapphires can be divided into three broad categories: classic metamorphic, non-classic metamorphic or magmatic, and classic magmatic.^[28]

Sapphires from certain locations, or of certain categories, may be more commercially appealing than others,^[29] particularly classic metamorphic sapphires from Kashmir (India), Burma, or Sri Lanka that have not been subjected to heat-treatment.^[30][31][32]

The Logan sapphire, the Star of India, and the Star of Bombay originate from Sri Lankan mines. Madagascar is the world leader in sapphire production (as of 2007) specifically its deposits in and around the town of Ilakaka.^[33] Prior to the opening of the Ilakaka mines, Australia was the largest producer of sapphires (such as in 1987).^[34] In 1991 a new source of sapphires was discovered in Andranondambo, southern Madagascar. That area has been exploited for its sapphires started in 1993, but it was practically abandoned just a few years later—because of the difficulties in recovering sapphires in their bedrock.^[35]

In North America, sapphires have been mined mostly from deposits in Montana: fancies along the Missouri River near Helena, Montana, Dry Cottonwood Creek near Missoula, Montana, and Rock Creek near Philipsburg, Montana. Fine blue Yogo sapphires are found at Yogo Gulch west of Lewistown, Montana.^[36] A few gem-grade sapphires and rubies have also been found in the area of Franklin, North Carolina.^[37]

The sapphire deposits of Kashmir are still well known in the gem industry,^[38] despite the fact that the peak production from this area mostly took place in a relatively short period at the end of the nineteenth and early twentieth centuries.^[39] Kashmir-origin contributes meaningfully to the value of a sapphire, and most corundum of Kashmir origin can be readily identified by its characteristic silky appearance and exceptional hue.^[40] At present, the world record price-per-carat for sapphire at auction was achieved by a sapphire from Kashmir in a ring, which sold for $180,731 per carat (more than $5 million in total, including buyer's premium) in April 2014.^[41]

§Synthetic sapphire

Synthetic sapphire

Synthetic star sapphire

In 1902 the French chemist Auguste Verneuil developed a process for producing synthetic sapphire crystals.^[42] In the Verneuil process, named after him, fine alumina powder is added to an oxyhydrogen flame, and this is directed downward against a mantle.^[43] The alumina in the flame is slowly deposited, creating a teardrop shaped "boule" of sapphire material. Chemical dopants can be added to create artificial versions of the ruby, and all the other natural colors of sapphire, and in addition, other colors never seen in geological samples. Artificial sapphire material is identical to natural sapphire, except it can be made without the flaws that are found in natural stones. The disadvantage of Verneuil process is that the grown crystals have high internal strains. Many methods of manufacturing sapphire today are variations of the Czochralski process, which was invented in 1916 by Polish chemist Jan Czochralski.^[44] In this process a tiny sapphire seed crystal is dipped into a crucible made of the precious metal iridium or molybdenum,^[45] containing molten alumina, and then slowly withdrawn upward at a rate of 1 to 100 mm per hour. The alumina crystallizes on the end, creating long carrot-shaped boules of large size up to 200 kg in mass.^[46]

Synthetic sapphire is also produced industrially from agglomerated aluminium oxide, sintered and fused (such as by hot isostatic pressing) in an inert atmosphere, yielding a transparent but slightly porous polycrystalline product.^{[citation needed]}

In 2003 the world's production of synthetic sapphire was 250 tons (1.25 × 10⁹ carats), mostly by the United States and Russia.^[47][48] The availability of cheap synthetic sapphire unlocked many industrial uses for this unique material:

The first laser was made with a rod of synthetic ruby. Titanium-sapphire lasers are popular due to their relatively rare capacity to be tuned to various wavelengths in the red and near-infrared region of the electromagnetic spectrum. They can also be easily mode-locked. In these lasers a synthetically produced sapphire crystal with chromium or titanium impurities is irradiated with intense light from a special lamp, or another laser, to create stimulated emission.

High quality synthetic sapphire substrates use in nanotechnology is often called Blue Glass, due to its blue colour.

§Common applications[edit]

Along with zirconia and aluminium oxynitride, synthetic sapphire is used for shatter resistant windows in armored vehicles and various military body armor suits, in association with composites.

One type of xenon arc lamp (originally called the "Cermax" its first brand name), which is now known generically as the "ceramic body xenon lamp", uses sapphire crystal output windows that tolerate higher thermal loads – and thus higher output powers when compared with conventional Xe lamps with pure silica window.^[49]

§Sapphire glass

One application of synthetic sapphire is sapphire glass often called blue glass as sapphires are blue in color. Here glass is a layman term which refers not to the amorphous state, but to the transparency. Sapphire is not only highly transparent to wavelengths of light between 150 nm (UV) and 5500 nm (IR) (the human eye can discern wavelengths from about 380 nm to 750 nm^[50]), but is also extraordinarily scratch-resistant. Sapphire has a value of 9 on the Mohs scale of mineral hardness.

The key benefits of sapphire windows are:

• Very wide optical transmission band from UV to near-infrared, (0.15-5.5 µm)
• Significantly stronger than other optical materials or standard glass windows
• Highly resistant to scratching and abrasion (9 Mohs scale, the 3rd hardest natural substance next to moissanite and diamonds)
• Extremely high melting temperature (2030 °C)

So-called "sapphire glass" refers to crystalline sapphire used as an optical window or cover.^[51][52] Some windows are made from pure sapphire boules that have been grown in a specific crystal orientation, typically along the optical axis, the c-axis, for minimum birefringence for the application. The boules are sliced up into the desired window thickness and finally polished to the desired surface finish. Sapphire optical windows can be polished to a wide range of surface finishes due to its crystal structure and its hardness. The surface finishes of optical windows are normally called out by the scratch-dig specifications in accordance with the globally adopted MIL-O-13830 specification.

Magical Mirror X5 manufactured by the Chinese company Desay is the first smartphone utilizing a sapphire window screen.^[53] Previously sapphire window was used for example in Apple Touch ID of the iPhone 5s, iPhone 6, and iPad mini 3^[54][55][56] and the display of the Apple Watch.^[57] Also, sapphire covers are used for the rear camera in every iPhone 5^[58] or newer, and every iPod Touch (5th generation)^[59] or newer.

Sapphire windows are used in high pressure chambers for spectroscopy, crystals in various watches, and windows in grocery store barcode scanners since the material's exceptional hardness and toughness makes it very resistant to scratching.^[47]

It is used for end windows on some high-powered laser tubes as its wide-band transparency and thermal conductivity allow it to handle very high power densities in the infra-red or UV spectrum without degrading due to heating.

Cermax xenon arc lamp with synthetic sapphire output window

§Use as substrate for semiconducting circuits

Thin sapphire wafers were the first successful use of an insulating substrate upon which to deposit silicon to make the integrated circuits known as silicon on sapphire or "SOS"; now other substrates can also be used for the class of circuits known more generally as silicon on insulator. Besides its excellent electrical insulating properties, sapphire has high thermal conductivity. CMOS chips on sapphire are especially useful for high-power radio-frequency (RF) applications such as those found in cellular telephones, public-safety band radios, and satellite communication systems. "SOS" also allows for the monolithic integration of both digital and analog circuitry all on one IC chip, and the construction of extremely low power circuits.

In one process, after single crystal sapphire boules are grown, they are core-drilled into cylindrical rods, and wafers are then sliced from these cores.^{[citation needed]}

Wafers of single-crystal sapphire are also used in the semiconductor industry as a substrate for the growth of devices based on gallium nitride (GaN). The use of sapphire significantly reduces the cost, because it has about one-seventh the cost of germanium. Gallium nitride on sapphire is commonly used in blue light-emitting diodes (LEDs).^[60]

§Historical and cultural references

• Etymologically, the English word “sapphire” derives from Latin sapphirus, sappirus from Greek σαπφειρος (sappheiros) from Hebrew סַפִּיר (sappir). Some linguists propose that it derives from Sanskrit, Shanipriya (शनिप्रिय), from "shani" (शनि) meaning "Saturn" and "priya" (प्रिय), dear, i.e. literally “dear to Saturn”.^[2]
• Sapphire was used as one of the twelve precious stones set in the Israelite High Priest’s breastplate during his service in the Holy Temple.^[61]
• The Greek term for sapphire quite likely was instead used to refer to lapis lazuli.^[2]
• During the Medieval Ages, European lapidaries came to refer to blue corundum crystal by "sapphire", a derivative of the Latin word for blue: "sapphirus".^[62]
• The sapphire is the traditional gift for a 45th Wedding anniversary.^[63]
• The sapphire is the birthstone of September.^[64]

Saphir

Saphir
Verschiedenfarbige Rohsaphire aus Ratnapura, Sri Lanka
Allgemeines und Klassifikation
Chemische Formel	Al2O3
Mineralklasse (und ggf. Abteilung)	siehe Korund
Ähnliche Minerale	Cordierit, Benitoit, Kyanit, Indigolith (Mineral der Turmalingruppe), Spinell, Tansanit, Topas, Zirkon
Kristallographische Daten
Kristallsystem	trigonal
Kristallklasse; Symbol	ditrigonal-skalenoedrisch; 3 2/m
Physikalische Eigenschaften
Mohshärte	9
Dichte (g/cm3)	3,95 bis 4,03
Spaltbarkeit	keine
Bruch; Tenazität	muschelig, splitterig, spröd
Farbe	blau; im weitesten Sinne alle Farben außer rot
Strichfarbe	weiß
Transparenz	durchsichtig bis undurchsichtig
Glanz	Glasglanz
Kristalloptik
Brechungsindizes	nω = 1,767 bis 1,772 nε = 1,759 bis 1,763
Doppelbrechung	δ = 0,008 bis 0,009
Optischer Charakter	einachsig negativ
Pleochroismus	nur orangefarbener Saphir star (gelbbraun-orange bis farblos), andere Farben schwach bis deutlich
Weitere Eigenschaften
Chemisches Verhalten	säureunlöslich

Saphir (veraltend auch Safir) ist eine Varietät des Minerals Korund. Dem Saphir zugerechnet werden alle farblosen und buntfarbigen Varietäten mit Ausnahme des roten Rubins. Im engeren Sinne bezieht sich der Begriff heute auf die blauen Varianten, die von Himmelblau bis zu einem ins Schwarze gehenden Dunkelblau reichen und je nach Lichteinfall im Farbton variieren können.

Inhaltsverzeichnis

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• 1 Etymologie
• 2 Eigenschaften
  • 2.1 Farbe und optische Effekte
• 3 Bildung und Fundorte
• 4 Synthetische Herstellung und chemisch-technische Behandlung
• 5 Synthetische, farblose Saphire
• 6 Verwendung als Schmuckstein
• 7 Andere Verwendungen
• 8 Esoterik
• 9 Siehe auch
• 10 Literatur
• 11 Weblinks
• 12 Einzelnachweise

§Etymologie

Das Wort „Saphir“ leitet sich von lateinisch „sapphirus“ und weiter „sappirus“, aus dem Griechischen „σάπφειρος“ (sappheiros), aus dem Hebräischen „סַפִּיר“ (Sappir), aus dem Altiranischen „Sani-prijam“, aus dem Sanskrit „Shanipriya“ (शनिप्रिय), von „Shani“ (शनि) im Sinne von „Saturn“ und „Priya“ (प्रिय), Edelsteine oder lieben, das heißt „heiß geliebt/hochverehrt zum Saturn“ oder wörtlich „Liebe zum Saturn“ ab. Es gibt veraltete bzw. fälschliche Handelsbezeichnungen: Orientalischer Aquamarin (grünlichblauer Saphir), Orientalischer Huazinth (rosa Saphir), Orientalischer Smaragd (grüner Saphir) und Orientalischer Topas (gelber Saphir).

§Eigenschaften

Wie alle Korunde kristallisiert auch der Saphir im trigonalen Kristallsystem mit der chemischen Zusammensetzung Al₂O₃ und entwickelt überwiegend doppelseitig zugespitzte, tonnenförmige, sechsseitige pyramidale und prismatische Kristalle. Ebenfalls korundtypisch ist die chemische Beständigkeit. So ist Saphir unter anderem säureunlöslich und schmilzt erst bei einer Temperatur von 2040 °C.^[1]

Bei 25 °C betragen die Wärmeleitfähigkeit 41,9 W/(m·K) und die Wärmekapazität 754 J/(kg·K).^[2] Diese für Isolierstoffe vergleichsweise hohe Wärmeleitfähigkeit steigt bei niedrigeren Temperaturen stark an und sinkt bei höheren Temperaturen ab – bei 1200 °C auf ein Zehntel des Wertes bei Raumtemperatur.

§Farbe und optische Effekte

183 ct Sternsaphir im Cabochonschliff (Stern von Bombay)

Saphire enthalten als farbgebende Substanzen geringfügige Beimengungen von Fe²⁺ und Ti⁴⁺ (blau), Fe³⁺ (gelb und grün), Cr³⁺ (je nach Konzentration rot (per Definition ein Rubin) bis rosa), Ti³⁺ (rosa) und/oder V⁴⁺ (violett, zusammen mit Chrom und Eisen orange). Der farblose Leukosaphir enthält dagegen keine Beimengungen.

Der klassische Schmuckstein-Saphir ist von intensivem, aber nicht zu dunklem Blau („Kashmir-Saphire“). Saphire, die in der Schlucht Yogo Gulch in Montana gefunden werden, sind überwiegend tiefblau. Als Besonderheit unter den Schmuckstein-Saphiren gilt der vorwiegend aus Asien stammende sogenannte Padparadscha, eine rosa- bis orangefarbene Variante, deren Bezeichnung auf das singhalesische Wort für Lotosblüte zurückgeführt wird. Padparadschas kommen ursprünglich aus Sri Lanka, werden aber mittlerweile häufig farbbehandelt und können dann aus der ganzen Welt stammen.

Ebenfalls begehrt sind die mit dem optischen Effekt Asterismus ausgezeichneten Sternsaphire. Aufgrund von orientiert eingelagerten Rutilnadeln zeigt sich eine mehr oder minder perfekte, sechsstrahlig-sternförmige Reflexion.

§Bildung und Fundorte

Saphir aus dem Yogo Gulch, Montana, im Brillantschliff

Zu den Bildungsbedingungen siehe Korund#Bildung und Fundorte.

Die bedeutendsten Produzenten von Saphiren waren bis vor kurzem Sri Lanka und Indien, heute kommen die Schmucksteine auch aus den USA, insbesondere Montana, wo unter anderem im Yogo Gulch Saphire gefunden werden, Australien oder Nigeria. Saphire aus Madagaskar, genauer gesagt Ilakaka, gelten als sehr hochwertig, werden jedoch in der Regel als aus Sri Lanka stammend deklariert, da sie so höhere Preise erzielen. Die Förderung in Australien hat in den letzten Jahren stark abgenommen.

§Synthetische Herstellung und chemisch-technische Behandlung

Synthetische Saphire können seit 1910 in perfekter Qualität, verschiedenen Farben und in nahezu unbegrenzter Größe hergestellt werden. So bezeichnete beispielsweise der inzwischen veraltete Handelsname „Amaryl“ einen synthetischen, hellgrünen Saphir.^[3] Farblose, synthetische Saphire werden dabei teilweise unter der irreführenden Handelsbezeichnung „Diamandit“ bzw. „Diamondit“ in Umlauf gebracht und dienen als Diamant-Imitation.^[4]

Die im Handel als „natürlich“ angebotenen Saphire sind größtenteils hitzebehandelt, wobei die Hitzebehandlung sowohl zur Farbänderung als auch zur Erhöhung der Klarheit eines Saphirs vorgenommen wird. Bei leichter Hitzebehandlung bleiben mikroskopische Strukturen wie Rutilnadeln („Silk“) erhalten; bei starker Erhitzung (ca. 1800°C) werden diese natürlichen Mikroeinschlüsse aufgelöst und der Saphir wird klar. Wird der Saphir sehr langsam wieder abgekühlt, können sich die Mikroeinschlüsse erneut bilden. Auf diese Weise kann aus einem Ti-reichen, synthetischen Saphir ein Sternsaphir (oder -rubin) hergestellt werden. Oberflächliche Risse oder kleine Unebenheiten werden oft durch Einschmelzen von Borax und Bleikristall-Glas oder durch Ölbehandlung überspielt.

Besonders blaue Saphire können darüber hinaus durch ein Diffusionsverfahren erzielt werden, wobei die blaue Schicht nur sehr dünn und oberflächlich ist. Seit ca. 2000 werden Saphire oft zusammen mit Berylliumpulver auf 1800 °C erhitzt, um blaue Töne zu unterdrücken. So entstehen intensive gelbe bis orange Saphire.^[5] Auch namhafte Anbieter verwenden behandelte Saphire, teilweise einschließlich der umstrittenen Diffusionsbehandlung, aber ohne Einzeldeklaration (zum Beispiel Tiffany & Co.).

§Synthetische, farblose Saphire

Saphirglas (synonym Saphirfluss)^[6] bezeichnet flache, meist farblose Platten aus synthetischen Korunden. Sie werden unter anderem in der Uhrmacherei als Uhrengläser verwendet. Die Bezeichnung ist irreführend, da Saphirglas kein Glas ist. Saphirglas besitzt eine kristalline und keine glasartige (amorphe) Struktur. Saphir ist mit einer Mohshärte von 9 das zweithärteste aller transparenten Materialien nach dem Diamant und ist in dieser Anwendung daher besonders wegen seiner Kratzfestigkeit geschätzt. Saphirglas ist hochreiner, synthetischer Saphir (einkristallin), welcher aus geschmolzenem Aluminiumoxid hergestellt wird. Die chemische Formel lautet Al₂O₃, das Saphirglas zählt zu den Korunden.

Saphirglas ist etwas weniger schlagempfindlich als herkömmliches Quarzglas oder Mineralglas und hat eine sehr hohe Lichtdurchlässigkeit und Lichtbrechung. Dennoch bricht auch Saphirglas unter starkem Druck von spitzen Gegenständen. Die landläufige Meinung, dass Saphirgläser absolut unzerkratzbar seien, ist übertrieben: Wenn andere sehr harte Materialien (z. B. Granit) und starker Druck (z. B. Stoß) auf das Saphirglas einwirken, können auch hier feine Kratzer entstehen, was aber sehr selten vorkommt. Öfter kann man die fälschlicherweise als „Kratzer“ bezeichneten Aufriebe von Aluminium beobachten, die beim Anstoßen auf Aluminium-Oberflächen entstehen können. Diese Aufriebe stellen eine haltbare Materialverbindung dar, lassen sich jedoch leicht mit einem Radiergummi entfernen.

Physikalische Eigenschaften von synthetischem Saphirkristall:

• hexagonale Kristallstruktur
• Dichte: ca. 4 g/cm³
• Schmelzpunkt: +2050 °C
• Wärmeleitfähigkeit bei 25 °C: 42 W/(m·K)
• Druckfestigkeit bei 24 °C: 2 GPa
• Zugfestigkeit bei 24 °C: 186,4 MPa
• 100 % Säurebeständigkeit

Mit Hilfe eines elektronischen Diamantprüfgerätes, wie es zur sicheren Bestimmung von natürlichen geschliffenen Diamanten in der Schmuckbranche Anwendung findet, kann man Saphirglas durch seine wesentlich höhere Wärmeleitfähigkeit sicher von gewöhnlichem Glas unterscheiden.

Es existieren verschiedene Herstellungsverfahren aus der Schmelze (neben anderen, technisch nicht bedeutenden Verfahren aus dem Flux (Metallsalzschmelze) oder Hydrothermal):

• das tiegelfreie Verneuil-Verfahren (nach der Erfindung des französischen Chemikers Auguste Verneuil 1902)
• die EFG-Methode (von engl. Edge-defined Film-fed Growth), eigentlich das Stepanov-Verfahren^[7][8] zur Herstellung von Saphirprofilen (Platten, Rohre, Stäbe, etc.) mit konstantem Querschnitt.
• das Czochralski-Verfahren, erfunden vom polnischen Wissenschaftler Jan Czochralski im Jahr 1916
• das Nacken-Kyropoulos-Verfahren, benannt nach Richard Nacken und Spyro Kyropoulos (Physikalischen Institut Göttingen) im Jahr 1926.

Beim Verneuil-Verfahren wird auf ein kleines Stück Saphir in einer Kammer bei Temperaturen oberhalb von 2050 °C mittels Knallgasflamme Aluminiumoxid-Pulver aufgeschmolzen, sodass es zu einer Kristallbirne von 3 bis 4 cm Durchmesser und 11 bis 14 cm Länge aufwächst. Dieser Saphirkristall wird mittels Diamant-Trennscheiben in Scheiben geschnitten, die anschließend geschliffen und poliert werden, bis transparente Saphirkristall-Scheiben mit glänzender Oberfläche entstehen. Die Scheiben erhalten je nach Kundenvorgaben noch eine polierte Fase. Das Wissen um die rationelle Herstellung hochqualitativer Saphirgläser und insbesondere die Herstellung der dafür benötigten Maschinen und Gerätschaften war lange ein streng gehütetes Betriebsgeheimnis.

Da Saphirglas durch seine hohe Härte extrem kratzfest ist, wird es oft bei hochwertigen Uhren verwendet, wobei aber auch bereits Uhren unter 60 Euro mit Saphirgläsern am Markt zu finden sind. Bei wenigen besonders hochwertigen Uhrenmarken aus Schweizer Herstellung wird das gesamte Uhrgehäuse aus Saphir hergestellt. Weiterhin existieren sogar in Serie gefertigte mechanische Uhrwerke, deren gesamte Platinen aus Saphirkristall gefertigt werden, um Einsicht ins Innere der Mechanik zu geben. Eine sehr geringe Anzahl von Herstellern und Verarbeitern von synthetischem Saphirglas beherrschen den weltweiten Markt, insbesondere durch dessen aufwendige Verarbeitung in besonders komplexen Formen. Hersteller sind in Frankreich, der Schweiz, Polen und China/Hongkong, Mauritius sowie Japan ansässig.

Gängig sind bei hochwertigen Saphiruhrgläsern spezielle Beschichtungen wie z. B. zur Entspiegelung, um die Lichtreflexion zu reduzieren. Hierbei war früher bei manchen Herstellern ein bläulicher Schimmer zu erkennen. Vor dem Jahr 2000 hergestellt, sind diese Antireflexschichten meist nicht ausreichend kratzfest. In jüngerer Zeit sind diese Beschichtungen jedoch meist nicht mehr ablösbar oder abreibbar, auch die Erkennbarkeit einer solchen Beschichtung ist meist nur durch den Effekt gegeben, dass der Betrachter gar kein Glas mehr erkennen kann. Besonders bei doppelseitig entspiegelten Saphirgläsern ist dieses Merkmal sehr ausgeprägt; der Betrachter glaubt, eine Uhr ohne Glas vor sich zu haben.

Bei hochpreisigen Mobiltelefonen einiger Hersteller besteht das Deckglas aus Saphirglas. Normalerweise besteht das Deckglas der Flüssigkristallanzeige aus speziellem Abdeckglas für Displays (bspw. Gorillaglas). Saphirglas kann auch als kratzfeste Kameralinsenabdeckung in Smartphones verbaut werden.^[9]

§Verwendung als Schmuckstein

Logan-Saphir aus dem National Museum of Natural History in Washington D.C.

Saphire werden überwiegend zu Schmucksteinen verarbeitet. Durchsichtige Steine von hoher Qualität (möglichst wenig Einschlüsse) erhalten dabei einen Facettenschliff, undurchsichtige und vor allem diejenigen mit Asterismus, werden dagegen zu Cabochons verarbeitet, um den Sterneneffekt hervorzuheben.

Der größte jemals geschliffene Saphir ist der „Stern von Indien“ mit einem Gewicht von 563,35 Karat (112,67 Gramm). Der in Sri Lanka gefundene, etwa 2 Milliarden Jahre alte Stein wurde 1901 durch John Pierpont Morgan an das American Museum of Natural History übereignet und kann dort besichtigt werden.^[10]

§Andere Verwendungen

Neben seiner Verwendung als Schmuckstein wurde Saphir in Plattenspielern der 1950er und 1960er Jahre als Material für die Tonabnehmer-Abtastnadel eingesetzt und führte zur umgangssprachlichen Bezeichnung Saphir für diese Nadel.

Wegen seiner hohen Härte und Abriebfestigkeit wird Saphir auch als Führung u.a. für Drahterodier- und Textilmaschinen verwendet. Gegenüber dem festeren Diamant bietet er, trotz kürzerer Lebensdauer, erhebliche Kostenvorteile.

Synthetische einkristalline Saphirscheiben sind das wichtigste Substratmaterial für das künstliche Aufwachsen (Heteroepitaxie) von einkristallinem Galliumnitrid, dem Material für blaue, weiße und grüne Leuchtdioden sowie blaue Laserdioden.

Mit Titan als aktivem Laser-Ion dotiert, dient synthetischer Saphir als Wirtskristall für den Titan:Saphir-Laser – einem im Wellenlängenbereich von 700 bis etwa 1000 Nanometern arbeitenden Laser.

Für die extremen Belastungen ausgesetzten Fenster von Aufklärungsflugzeugen, Flugabwehrraketen oder Weltraumflugkörpern werden synthetische Saphire von bis zu 75 Zentimeter Durchmesser eingesetzt.

In besonderen Fällen findet Saphir auch in wissenschaftlichen Instrumenten bei der Raumfahrt Verwendung, zum Beispiel bei der Genesis-Mission.

Wegen seiner im Vergleich zu anderen isolierenden Materialien hohen Wärmeleitfähigkeit von 40 W/(m · K) bei einer Temperatur von 25 °C greift man in wissenschaftlichen Experimenten zu Scheiben aus diesem Material, wenn etwa eine effektive Kühlung oder eine genaue Temperaturregelung durch ein zum Zwecke der Beobachtung durchsichtiges Medium hindurch erfolgen muss. Bei steigender Temperatur nimmt die Wärmeleitfähigkeit allerdings ab und beträgt bei 400 °C noch 12 W/(m · K) und bei 1200 °C nur noch 4 W/(m · K). Eine Temperatursenkung sorgt dagegen für einen starken Anstieg der Wärmeleitfähigkeit, die bei einer Temperatur von −200 °C einen Wert von 10.000 W/(m · K) erreicht,^[11] wodurch der Saphir für Tieftemperaturexperimente sehr gut geeignet ist.

Bei der so genannten Silicon-on-Sapphire-Technologie werden mittels heteroepitaktisch auf Saphir erzeugten Siliciumschichten integrierte Schaltkreise erzeugt.

§Esoterik

Die himmelblaue Variante wird gewöhnlich mit Eigenschaften wie Ruhe, Reinheit und Frieden in Verbindung gebracht. Wissenschaftliche Belege für die angeblichen physischen und psychischen Wirkungen gibt es nicht.

§Siehe auch[Bearbeiten]

• Liste der Minerale
• Liste mineralischer Schmuck- und Edelsteine

§Literatur

• Matthias Bodenhöfer: Ilakaka – Hauptstadt des Saphirs. Eine politisch-ökologische Untersuchung des Saphirbergbaus in Madagaskar. Wissenschaftliche Arbeit. Albert-Ludwigs-Universität, Freiburg i. Br. 2004 (Volltext)
•  Petr Korbel, Milan Novák: Mineralien Enzyklopädie. Nebel Verlag, Eggolsheim 2002, ISBN 3-89555-076-0, S. 82.
•  Walter Schumann: Edelsteine und Schmucksteine. 13. Auflage. BLV Verlags, 1976/1989, ISBN 3-405-16332-3, S. 102–105.

§Weblinks

 Commons: Saphir – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• Mineralienatlas:Saphir (Wiki)
• Berühmte Saphire der Romanows

§Einzelnachweise

1. Hochspringen ↑ Crystal Systems – Sapphire : Physical & Mechanical Properties (englisch, PDF 56,6 kB)
2. Hochspringen ↑ Materialeigenschaften des synthetischen Saphirs bei oskar-moser.de
3. Hochspringen ↑ Das grosse Kunstlexikon von P.W. Hartmann - Amaryl
4. Hochspringen ↑ carat-online.at - Edelsteine - Synthesen, Imitationen und falsche Handelsnamen
5. Hochspringen ↑ John L. Emmett, Kenneth Scarratt, Shane F. McClure, Thomas Moses, Troy R. Douthit, Richard Hughes, Steven Novak, James E. Shigley, Wuyi Wang, Owen Bordelon, Robert E. Kane: Beryllium Diffusion of Ruby and Sapphire (PDF; 1,3 MB). In: Gems and Gemology. 2003, S. 84–135.
6. Hochspringen ↑ Johann Georg Krünitz, Friedrich Jakob Floerken, Heinrich Gustav Flörke, Johann Wilhelm David Korth, Carl Otto Hoffmann, Ludwig Kossarski, J. Pauli: Oekonomische encyklopädie. Band 136, 1824, S. 431.
7. Hochspringen ↑ Mineralienatlas: Künstliche Kristalle
8. Hochspringen ↑ finepowder.de
9. Hochspringen ↑ Pressemitteilung auf der Herstellerseite. apple.com, abgerufen am 13. Februar 2014
10. Hochspringen ↑ www.amnh.org Star of India (Engl.). Aufgerufen am 9. Januar 2014
11. Hochspringen ↑ GWI Sapphire – Eigenschaften von Monokristall-Saphir (PDF 30,5 kB)