自從1900年化學家Verneuil用焰熔法合成紅寶石以後，打破了天然寶石壹統天下的局面。在各種合成寶石中，產量最大、銷量最多的是合成立方氧化鋯（CZ）。1976年投入寶石市場以來，它迅速取代了其他鉆石仿制品——YAG、GGG、SrTiO3等，而壹躍成了風行世界的壹種人工寶石。
關於用冷坩堝法來生長ZrO2晶體，可以追溯到1969年，當時法國的科學家Roulin等人，用高頻電源加熱冷坩堝的方法進行晶體生長。盡管設備簡單，卻長出了含穩定劑Y2O3為12.5%的立方氧化鋯小晶體，但未將該項研究進行下去。1972年原蘇聯的列別捷夫物理研究所V.I.Alekasadrov領導的研究小組，把Roulin的技術完善後，長出了較大的晶體，並向美國及其他國家申請了專利。1976～1979年先後獲得英國、德國和美國專利。1976年以後，原蘇聯逐漸把這種晶體替代天然鉆石而銷往寶石市場。這期間美國的Ceres公司也進行了研究，改進了冷坩堝系統並申請專利權，大量生產寶石用合成立方氧化鋯晶體。我國從1982年開始研究，很快獲得成功並投入批量生產，是目前世界上能大量供應CZ晶體的國家之壹。
CZ晶體極易生長成各種顏色的晶體，色彩艷麗。CZ晶體除作為寶石應用外，還是壹種優良的光學材料和激光基質材料。
壹、高頻冷坩堝技術的工作原理
1.基本原理
眾所周知，壹般高溫非金屬材料，在室溫下是介電材料，電阻率大，介電損耗較小，很難用高頻電磁場直接加熱來熔制。但實驗表明，這些材料的熔體導電性能良好，這就為高頻加熱技術提供了條件。
高頻冷坩堝技術不使用專門的坩堝，而是直接用擬生長的晶體材料本身作“坩堝”，使其內部熔化，外殼不熔；其巧妙之處是在其外部加設冷卻裝置，把表層的熱量吸走，使表層不熔，形成壹層未熔殼，起到坩堝的作用，這就是“冷坩堝”。內部已熔化的晶體材料，依靠坩堝下降法晶體生長原理使其結晶並長大。
2.熔制過程
熔化高溫非金屬材料，必須用壹種方法先形成壹個小的熔區，用做導電的“種子”熔體。最簡單的辦法是在材料的中心放少量相應的金屬片或粉末，接通高頻電源，利用金屬感應加熱和迅速氧化放熱使壹小部分原料先熔化（見圖4-1-2）。
圖4-1-2 起熔過程示意圖
在局部起熔區，吸收功率與氧化放熱之和要大於（至少要等於）由熔區向外散出的熱量與熔化材料所需吸熱之和，這樣熔區才能擴大。實踐表明，這段時間是很短的，金屬很快氧化完畢，形成壹個空心球狀熔區（如圖4-1-2（a）。熔區大小與輸入功率有關，輸入功率增加（初期主要依靠提高電壓），則熔區擴大，直到平衡為止（如圖4-1-2（b），對於不同的材料，導熱系數越大，所需輸入功率也越大。
二、高頻冷坩堝技術設備
高頻冷坩堝技術成套設備由三大部分組成，即高頻振蕩裝置、冷坩堝系統、晶體生長用引下裝置（見圖4-1-3）。
圖4-1-3 冷坩堝法晶體生長裝置示意圖
1.高頻電源
根據熔化非金屬材料的原理和工藝要求（以ZrO2為例），高頻電源應具備以下特點：
1）工作頻率1～6MHz振蕩穩定，可以調節。
2）工作匹配良好，適應從輕載（額定值10%）到重負載（110%）的變化要求，在過壓下運行不會使元件損壞擊穿。
3）功率可以調節，即陽極電壓可從30%～130%（額定值）均勻調節，最好有可靠的穩壓功能。
4）能長時間連續運行。由於要求的特殊性，沒有現成的高頻電源可選用。高頻冷坩堝技術采用的設備是專門設計的。該電源具有以下特征：振蕩槽路采用頻率比較穩定的電容三點式振蕩器，這種線路的優點是在較高的頻率下頻率穩定、波形好、不易受寄生電路的影響、結構簡單，但是起振較困難。
2.冷坩堝系統
冷坩堝系統是生長晶體的關鍵設備之壹，它必須既能供高頻電場通過，又能支持內部溫度高達3000℃以上的熔體而不被熔化。其組成是：
1）水冷銅管使用單管而不使用套管，彎成雙“U”形，之間間隙為1～1.5mm，保證高頻電磁場能量能順利透入，由於內部水流暢通，所以容易形成“冷殼”，以支撐熔體。
2）水冷底座由三部分組成，中間絕緣，有效地切斷高頻感應電流，以提高效率。底座分上下兩個腔，上腔供水，下腔出水，上下腔分別與上部銅管的兩端焊牢。
3）下面是用玻璃鋼做成的絕緣支架，以與引下機構金屬部分絕緣。
3.引下裝置及調速系統
引下機構采用絲桿式蝸輪桿傳動機構，用直流力矩發電機、電動機組拖動，電機速度快慢可調，調速精度較高，以保證晶體生長的穩定性。直流力矩機組用專門設計的脈沖調寬式控制儀供電，具有速度反饋和電壓反饋兩個閉環調節，保證了恒速要求。
三、合成立方氧化鋯晶體的生長
1.原料制備
生產立方氧化鋯用的主要原料是ZrO2粉末，對原材料中TiO2、Fe2O3含量要求較高，壹般其質量分數小於0.03%，以確保生長出的晶體不帶黃色，透明度好。穩定劑采用純度較高的Y2O3，色白而細。
為了生長有色晶體，需要摻入壹定量的雜質元素，常用稀土元素氧化物和過渡族元素氧化物，見表4-1-4。將ZrO2、Y2O3按9∶1mol比例配料，加入相應雜質元素，混合均勻備用。
表4-1-4 CZ晶體中常用摻質和顏色
2.晶體生長過程
將混合好的原料裝入冷坩堝中，上部放少量金屬鋯片，接通電源並升壓，將原料熔化。當原料熔化後，使熔體穩定壹段時間，使電壓、電流、柵流基本穩定後，使坩堝慢慢地下降，這時，由於下部冷卻，在底部就會自發成核。隨著坩堝的下降，壹部分有生長優勢的晶核迅速長大而排擠其他小晶體長成晶排。壹般情況下直徑d=250mm的坩堝典型運行參數為：電壓9～10kV，電流7～10A，柵流1～1.5A，坩堝下降速度3～15mm/h。當生長結束後，慢慢地降低功率，使晶體退火壹段時間，關閉電源，自然冷卻到室溫，取出晶塊。輕擊即可打開分離出完整的晶體塊。
四、冷坩堝技術的其他應用和最新發展
冷坩堝技術自從1976年投入工業應用以來，有了很大發展。
在高頻冷坩堝設備方面，繼俄羅斯之後，美國、中國等國家相繼研制成功並擴大容量，投入商業生產，年生產ZrO2晶體數以百噸計。冷坩堝直徑已擴大到400mm以上，裝料量由原來的幾千克擴大到1200kg，每次能生產ZrO2晶體近400kg。設備穩定性大大提高，實現了自動控制。
CZ晶體研究也有了重大進展，現在幾乎可以生產出各種顏色的晶體，特別是近期投入市場的藍色和綠色的晶體，可以仿制出藍寶石的藍色和祖母綠的綠色。