Методы искусственного получения кристаллов, как имитация природных кристаллообразующих процессов.

Раздел 9.

Факторы, влияющие на зарождение кристаллов.

Для начала кристаллизации нужно, чтобы зародыш (микроскопические фрагменты будущей структуры) достиг критической величины, т.е. содержал такое количество частиц, при котором присоединение следующей

частицы сделало бы разрастание зародыша более энергетически выгодным, чем его распад.

1) Это возможно с понижением температуры (в результате уменьшаются тепловые колебания), либо с повышением

концентрации вещества (приводит к увеличению вероятности встречи частиц друг с другом), т.е. возникновению зародышей.

2) Присутствие посторонних обломков кристаллов или пылинок, на поверхности сорбируются частицы, облегчая этим начало процесса кристаллизации.

Причина кристаллизации, т. е. перегруппировки беспорядочно расположенных частиц в регулярную кристаллическую постройку, заключается в том, что энергетически наиболее выгодно такое состояние, при котором силы, действующие на частицы, окажутся уравновешенными, а это достигается лишь в случае упорядоченного расположения материальных частиц.

Основы теории роста кристаллов. Молекулярно -кинетическая теория роста кристаллов. Особенности роста атомно-гладких и атомно-шероховатых граней кристалла. Спиральный рост кристаллов.

МКТ роста кристаллов Косселя и Странского.

Они рассматривали рост идеального кристалла при незначительном пересыщении, не учитывая несовершенств реальных кристаллов и влияния среды кристаллизации. Теория объяснила явления послойного роста кристаллов с позиций атомно-молекулярного состояния поверхности растущего кристалла, опираясь на энергетическую выгодность присоединения отдельных частиц вещества в зависимости от положения на свободной от дефектов поверхности кристалла.

Атомно-гладкие(АГ) - с изломами лишь в области ступенек.

Атомно-шероховатые(АШ) – с беспорядочное расположение частиц на грани.

АГ: растут путем послойного отложения веществ, то есть тангенциальным перемещением ступенек и остаются макроскопически плоскими. Рост –тангенциальный (скорость различна, растут в виде многогранников).

АШ: пов-ть грани в процессе роста перемещается по нормали к самой себе в каждой точке. Рост – нормальный (скорость примерно одинакова в разных направлениях, округлые формы).

Рост АШ требует преодоление потенциальных барьеров для встраивания атомов, рост АГ требует еще и образование ступеней.

На их поверхности всегда имеются нарушения — дефекты (винтовые дислокации). Тогда нарастание грани происходит путем навивания одного слоя на другой. И такой рост может происходить при сколь угодно малых пересыщениях. Дислокация – непрерывный источник возникновения слоев.

Методы искусственного получения кристаллов, как имитация природных кристаллообразующих процессов.

1)Методы выращивания кристаллов из растворов основаны на использовании зависимости концентрации вещества от термодинамических условий и заключаются в том, что из пересыщенного раствора при понижении температуры или испарении растворителя выпадает излишек вещества в виде кристаллов. Рост кристалла происходит на помещенной в раствор затравке в статическом или динамическом режиме при сравнительно невысоких температурах (до 100 °С) и нормальном давлении. Сахар, галит.

Для выращивания кристаллов веществ, растворимость которых при обычных условиях мала, но резко повышается с увеличением температуры и давления, используют гидротермальный метод, имитирующий аналогичный природный процесс. Этот метод широко используется для получения кристаллов кварца SіО₂, алюмосиликаты, вольфраматы, оксиды.

2)Метод кристаллизации из раствора в расплаве используют в труднорастворимых обычных жидкостях веществ либо разлагающихся при нагревании, либо плавящихся при высоких температурах. Растворитель - расплав легкоплавкой подвижной соли. Кристаллизация происходит в открытой системе при атмосферном давлении либо путем медленного охлаждения насыщенного раствора, либо путем испарения растворителя при постоянной температуре. Флюорит, кальцит, корунд.

3)Методы выращивания кристаллов из расплава используются в теx случаях, когда вещество плавится без разложения или когда обычно применяемых растворителях практически не растворимо. Используется для получения кристаллов щелочных галогенидов, оксидов, халькогенидов.

Скорость, с которой кристалл растет из расплава, значительно превышает скорость роста из раствора.

4)Метод Киропулоса – рост кристалла осуществляется путем снижения температуры во всем объеме расплава с помощью специального холодильника.

5)Метод Чохральского – отличается от метода Киропулоса тем, что кристаллическая затравка растет над зеркалом расплава при постоянной температуре.

6)Метод Стокбаргера отличается от 5) и 6) тем, что закристаллизовывается весь объем расплава, помещаемого обычно в цилиндрический контейнер.

7) Метод зонной кристаллизации основан на свойстве растущего кристалла отталкивать посторонние примеси — самоочищаться. Этим методом можно выращивать особо чистые кристаллы либо такие, в которых примеси распределены равномерно по всему объему.

8) Бестигельный методы кристаллизации - метод плавления в пламени (метод Вернейля). Метод применяется для выращивания корунда, ферритов группы шпинели, гранатов, сегнетоэлектрических кристаллов, оксидов.