Синтетические кристаллы
 
а б в г д е ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ъ ы ь э ю я
 

Синтетические кристаллы

Синтетические кристаллы, кристаллы, выращенные искусственно в лабораторных или заводских условиях. Из общего числа С. к. около 104 относятся к неорганическим веществам. Некоторые из них не встречаются в природе. Однако первое место занимают органические С. к., насчитывающие сотни тысяч разнообразных составов и вообще не встречающиеся в природе. С другой стороны, из 3000 кристаллов, составляющих многообразие природных минералов, искусственно удаётся выращивать только несколько сотен, из которых для практического применения существенное значение имеют только 20—30 (см. табл.). Объясняется это сложностью процессов кристаллизации и техническими трудностями, связанными с необходимостью точного соблюдения режима выращивания монокристаллов.

загрузка...

  Первые попытки синтеза кристаллов, относящиеся к 16—17 вв.(века), состояли в перекристаллизации воднорастворимых кристаллических веществ, встречающихся в виде кристаллов в природе (сульфаты, галогениды). После расшифровки состава природных минералов появились попытки синтеза минералов из порошков с использованием техники обжига. Этим методом были получены мелкие С. к. В начале 20 в. синтезом кристаллов занимались Е. С. Федоров и Г. В. Вульф, которые исследовали условия кристаллизации воднорастворимых соединений и усовершенствовали аппаратуру. В дальнейшем А. В. Шубников разработал общие принципы образования кристаллов из водных растворов [сегнетова соль, дигидрофосфат калия и др., см.(смотри) рис. 1, 3, 4] и из расплавов (однокомпонентных и многокомпонентных систем), под его руководством была создана первая фабрика С. к.

  С. к. кварца получают в гидротермальных условиях. Маленькие «затравочные» кристаллы различных кристаллографических направлений вырезаются из природных кристаллов кварца. Хотя кварц широко распространён в природе, однако его природные запасы не покрывают нужд техники, кроме того, природный кварц содержит много примесей. С. к. кварца массой до 15 кг выращивают в автоклавах в течение многих месяцев, а особо чистые кристаллы (оптический кварц) растут несколько лет (рис. 5, 6).

  Наиболее распространённые синтетические кристаллы

Название

Химическая формула

Методы выращивания

Средняя величина кристаллов

Области применения

Кварц

SiO2

Гидротермаль-
ный

От 1 до 15 кг, 300´200´150 мм

Пьезоэлектрические преобразователи, ювелирные изделия, оптические приборы

Корунд

Al2O3

Методы Вернейля и Чохральского, зонная плавка

Стержни диаметром 20—40 мм, длиной до 2 м, пластинки 200´300´30 мм

Приборостроение, часовая промышленность, ювелирные изделия

Германий

Ge

Метод Чохральского

От 100 г до 10 кг, цилиндры 200 мм ´ 500 мм

Полупроводниковые приборы

Кремний

Si

То же

То же

То же

Галогениды

KCl, NaCl

То же

От 1 до 25 кг, 100´100´600

Сцинтилляторы

Сегнетова соль

KNaC4H4O6´4H2O

Кристаллизация из растворов

От 1 до 40 кг, 500´500´300 мм

Пьезоэлементы

Дигидрофосфат калия

KH2PO4

То же

От 1 до 40 кг, 500´500´300 мм

То же

Алюмоиттрие-
вый гранат

Y3Al5O12

Метод Чохральского, зонная плавка

40´40´150 мм 30´200´150 мм

Лазеры, ювелирные изделия

Иттриево-же-
лезистый гранат

Y3Fe5O12

Кристаллизация из растворов-расплавов

30´30´30 мм

Радиоакустическая промышленность, электроника

Гадолиний-галлиевый гранат

Gd3Ga5O12

Метод Чохральского

20´30´100 мм

Подложки для магнитных плёнок

Алмаз

C

Кристаллизация при сверхвысоких давлениях

От 0,1 до 3 мм

Абразивная промышленность

Ниобат лития

LiNbO3

Метод Чохральского

10´10´100 мм

Пьезо- и сегнетоэлементы

Нафталин

C10H8

Метод Киропулоса

Блоки в несколько кг

Сцинтилляционные приборы

Бифталат калия

C8H5O4K

Кристаллизация из водных растворов

40´100´100 мм

Рентгеновские анализаторы, нелинейная оптика

Кальцит

CaCO3

Гидротермальный

10´30´30 мм

Оптические приборы

Сульфид кадмия

CdS

Рост из газовой фазы

Стержни 20´20´100 мм

Полупроводниковые приборы

Сульфид цинка

ZnS

То же

Стержни 20´20´100 мм

 

Арсенид галлия

GaAs

Газотранспорт-
ные реакции

Стержни 20´20´100 мм

 

Фосфид галлия

GaP

То же

То же

То же

Молибдаты редкоземельных элементов

Y2(MoO4)3

Комбинирован-
ный метод Чохральского

10´10´100 мм

Лазеры

Двуокись циркония

ZrO2

Высокочастот-
ный нагрев в холодном контейнере

Блоки около 2 кг, столбчатые кристаллы 100´10´50 мм

Ювелирные изделия

Двуокись гафния

HfO2

То же

То же

То же

Вольфрамат кальция

CaWO4

То же

10´10´100 мм

Лазеры

Алюминат иттрия

IAlO3

Метод Чохральского

10´10´100 мм

То же

Алюминий (трубы разных сечений)

Al

Метод Степанова

Длина 103 мм, диаметр 3—200 мм

Металлургия

  Мир геометрически правильных кристаллов связан в сознании людей с миром драгоценных и поделочных камней. Поэтому усилия многих учёных были направлены на синтез алмаза, рубина, аквамарина, сапфира и др. В начале века были получены С. к. рубина из растворов в расплавах поташа и соды в виде кристалликов темно-малинового цвета. Позже (в конце 19 в.) французский учёный Вернейль изобрёл специальный аппарат для получения С. к. рубина, который в дальнейшем был усовершенствован. Порошок Al2O3 с добавкой нескольких % Cr2O3 непрерывно поступает в зону печи, где происходит горение водорода в кислороде. Капли расплавленной массы попадают затем на более холодный участок затравки и тотчас же кристаллизуются. В СССР работают аппараты системы С. К. Попова, которые позволяют получать С. к. рубина в виде стержней диаметром от 20 до 40 мм и Длина до 2 м — для лазеров, нитеводителей, а также для стекол космических приборов. Большую долю С. к. рубина потребляет часовая промышленность, но основным потребителем синтетического рубина является ювелирная промышленность. Добавка к Al2O3 примесей солей Ti, Со, Ni и других позволяет получить С. к. различной окраски, имитирующие окраску сапфиров, топазов, аквамаринов (рис. 7, 8) и других природных драгоценных камней.

  С. к. алмаза были получены в 50-х гг. из порошка графита, смешанного с Ni. Смесь прессуется в виде небольших (2—3 см) дисков, которые затем нагреваются до температуры 2000—3000 °С при давлении в 100—200 тыс. am. В этих условиях графит превращается в алмаз. Величина С. к. алмаза порядка десятых долей мм. В особых условиях удаётся получить С. к. алмаза до 2—3 мм. В СССР создана алмазная промышленность для нужд главным образом буровой техники. С. к. алмазов, конкурирующие с природными ювелирными образцами, пока получены в небольших количествах.

  Начиная с 50-х гг. развивается промышленность органических С. к. — нафталина, стильбена, толана, антрацена и др., применяющихся в сцинтилляционных устройствах (см., например, Сцинтилляционный счётчик). Синтез этих кристаллов осуществляется в основном методом Чохральского. По размерам эти С. к. соперничают с крупными неорганическими (воднорастворимыми) кристаллами. Наиболее применяемые полупроводниковые кристаллы (Ge, Si, Ga, As и др.) в природе не встречаются. Все они выращиваются из расплавов в виде цилиндров диаметром от 10 до 20 см и Длина 30—50 см.

  В лабораторных условиях из растворов расплавов выращивают С. к. феррогранатов и изумрудов. Однако промышленного развития эти методы ещё не получили. Развиваются исследования, связанные с промышленным выпуском синтетических драгоценных камней на основе алюмоиттриевых гранатов (гранатиты) (рис. 2а, 2б) и двуокисей циркония и гафния (фианиты). Это — С. к. с окраски, имитирующие изумруды, топазы и алмазы за счёт большого широкой гаммой преломления света.

  Лит.: Федоров Е. С., Процесс кристаллизации, «Природа», 1915, декабрь; Вульф Г. В., Кристаллы, их образование, вид и строение, М., 1917; Шубников А. В., Как растут кристаллы, М. — Л., 1935; Аншелес О. М., Татарский В. Б., Штернберг А. А., Скоростное выращивание однородных кристаллов из растворов, [Л.], 1945; Попов С. К., Новый производственный метод выращивания кристаллов корунда, «Изв. АН(Академия наук) СССР. Серия физическая», 1946, т. 10,№5—6; Штернберг А. А., Кристаллы в природе и технике, М., 1961; Условия роста и реальная структура кварца, в кн.: IV Всесоюзное совещание по росту кристаллов, Ер., 1972, ч. 2, с. 186; Мильвидский М. Г., Освенский В. Б., Получение совершенных монокристаллов полупроводников при кристаллизации из расплава, там же, ч. 2, с. 50; Багдасаров Х. С., Проблемы синтеза крупных тугоплавких оптических монокристаллов, там же, ч. 2, с. 6; Тимофеева В. А., Дохновский И. Б., Выращивание иттриево-железистых гранатов из растворов — расплавов на точечных затравках в динамическом режиме, «Кристаллография», 1971, т. 16, в. 3, с. 616; Яковлев Ю. М., Генделев С. Ш., Монокристаллы ферритов в радиоэлектронике, М., 1975.

  В. А. Тимофеева.

Рис. 2б. Изделия из алюмогранатов.

Рис. 3. Синтетические кристаллы. Дигидрофосфат калия.

Рис. 7. Синтетические кристаллы. Аквамарин (на основе кварца).

Рис. 2а. Синтетические кристаллы феррогранатов.

Рис. 1. Синтетические водорастворимые кристаллы.

Рис. 4. Синтетические кристаллы. Сегнетова соль.

Синтетические кристаллы. Кварц.

Рис. 6. Синтетические кристаллы. Рубин.

Рис. 5. Синтетические кристаллы. Кварц.