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.
Первые попытки синтеза кристаллов, относящиеся к 16—17 вв., 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. рис. 1, 2] 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. 3, 4).
Наиболее распространённые синтетические кристаллы| Название | Химическая формула | Методы выращивания | Средняя величина кристаллов | Области применения |
| Кварц | S2 | Гидротермаль- | 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- | Y3Al5O12 | Метод Чохральского, зонная плавка | 40´40´150 мм 30´200´150 мм | Лазеры, ювелирные изделия |
| Иттриево-же- | 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- | Стержни 20´20´100 мм |
|
| Фосфид галлия | GaP | То же | То же | То же |
| Молибдаты редкоземельных элементов | Y2(MoO4)3 | Комбинирован- | 10´10´100 мм | Лазеры |
| Двуокись циркония | ZrO2 | Высокочастот- | 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. 5, 6) 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. 2) 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 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.
Следующие
Синтетические масла, жидкости, применяемые главным образом в качестве смазочных материалов, теплоносителей, гидравлических жидко… читать дальше
Синтетические формы, формы словоизменения (и словообразования), в которых грамматические значения выражаются морфологически с по… читать дальше
Синтетические языки, типологический класс языков, в которых преобладают синтетические формы выражения грамматических значений. С… читать дальше
