Методы выращивания

Существует множество различных методик выращивания кристаллов. Здесь перечислены основные методы выращивания кристаллов как в промышленности, так и в домашних условиях.

I. Хорошо и средне растворимые вещества

    1. Медленное испарение растворителя

Основной метод выращивания кристаллов в домашних условиях, в промышленности применяется намного реже - в основном из-за   того, что растворимые кристаллы имеют очень ограниченную сферу применения, а также из-за длительности процесса.

Готовится насыщенный раствор вещества в выбранном растворителе. Для этого вещество должно быть хорошо или средне растворимо в нем. Вещество порциями и с длительным перемешиванием добавляется в раствор, пока тот не станет насыщенным.

Обычно готовится горячий раствор с последующим его остыванием, во избежание ситуации, когда раствор близок к насыщению, но не насыщен, а опущенная в раствор затравка кристалла может раствориться через некоторое время.

Либо готовится раствор сразу нужной температуры и оставляется с дополнительной порцией вещества на несколько часов.

Затем в раствор помещается затравка. Она привязывается на нить, ставится на подставку либо просто кладется на дно сосуда.

Сосуд оставляют с открытым горлом на длительное время. Испарение растворителя увеличивает концентрацию вещества в растворе, а т.к. она уже является предельной, то получающийся избыток оседает на кристалле, вызывая его рост.

Также заметное увеличение скорости роста и правильности получающихся кристаллов достигается использованием механизмов для перемешивания раствора либо вращения затравки.


    2. Медленное остывание раствора.

Методика близка к первой. Готовится горячий насыщенный раствор, в него помещается затравка. Раствор в сосуде начинает медленно охлаждаться.
В промышленности это контролируется термостатами с заданной программой, дома - укутыванием емкости в полотенца, теплую одежду либо выращивание в термосе или емкости из пенопласта. Сосуд не закрывают герметично во избежание повреждения емкости из-за изменения давления.

В результате уменьшения температуры граница насыщенности медленно понижается, и все большее количество вещества в растворе становится избыточным. Оно оседает на затравку и приводит к росту кристалла.

Таким методом получаются более крупные кристаллы, чем при испарении, но сложнее контролировать их форму и скорость роста. Так же имеются трудности с замедлением остывания в домашних условиях. Однако, этот метод является часто используемым в промышленности из-за большого выхода и высокой скорости роста.

Аналогично первой методике, использование перемешивания заметно влияет на скорость и правильность роста.


    3. Температурный градиент

Близок к первым двум методикам.

Готовится насыщенный раствор вещества в достаточно длинной емкости. В верхней половине емкости помещается затравка.
На дно засыпается дополнительная порция вещества.
Сосуд ставится на источник тепла - термостат, нагреватель, батарею. Температура не должна быть высокой, отличия между температурой верха и низа емкости должно быть всего в несколько градусов. Сосуд может быть герметичным, хотя желательно просто накрыть его крышкой во избежание попадания пыли.

В результате нижний слой раствора нагревается, предел растворимости повышается, растворяется часть порции вещества со дна емкости. Этот более теплый слой, благодаря конвекции, медленно поднимается вверх по емкости. Во время движения происходит постепенное охлаждение, поэтому при достижении верха емкости слой становится пересыщенным. Достигая затравки происходит осаждение вещества на ней, кристалл растет.

Метод позволяет получать крупные и достаточно прозрачные кристаллы, но в домашних условиях не так прост в реализации и имеет много подводных камней. В основном из-за трудности постоянного контроля температуры.

Использование вращающегося подвеса для затравки улучшает рост.


II. Малорастворимые вещества

    1. Рост с одновременным получением

Используются две емкости, соединенные трубкой.
В трубке находится полупроницаемая мембрана либо специальный гель.
В емкости по отдельности заливаются растворы, содержащие реагенты для получения вещества. Для солей это раствор, содержащий нужный катион (ион металла), а в другую - содержащий нужный анион (кислотный остаток).

Во время обычной реакции растворы реагируют быстро и по всему объему, получающиеся вещества практически не образуют кристаллов (либо образуют, но микроскопических размеров).
Гель или мембрана приводят к локализации реакции и её сильному замедлению, поэтому образуются отдельные крупные (все относительно, обычно их размер всего в пару миллиметров) кристаллы.

Большая температура обычно увеличивает скорость реакции, но кристаллы растут более мелкими.

Используется редко, т.к. выход метода низок, и установка требует большого внимания.

    2. Гидротермальный метод

Представляет собой тот же самый метод температурного градиента, с той лишь разницей, что вещество растворяется в растворителе при больших температурах и давлении. В таких условиях малорастворимые вещества становятся хорошо растворимыми, что позволяет намного проще обходиться с ними.

В домашних условиях не реализуем из-за трудности воспроизведения нужных условий. Однако в промышленности используется достаточно широко, именно этим методом выращивают кристаллы кварца и синтетического рубина.

    3. Раствор в расплаве.

Метод, в котором вместо жидкого растворителя используется расплав некоторых веществ (в основном неорганические соли).
Растворяемое вещество имеет более высокую температуру плавления, но может легко растворяться в расплаве, имеющем гораздо более низкую температуру плавления. К такому высокотемпературному раствору уже можно применять обычный метод температурного градиента или медленного охлаждения.

Широко используется в промышленности для получения кристаллов тугоплавких веществ. В домашних условиях малореализуем.


III. Нерастворимые вещества

   1. Охлаждение расплава

Используется в случае веществ, не разлагающихся при расплавлении и имеющих относительно низкую температуру плавления.

Обычно это кристаллы простых веществ - висмута, цинка, серы и т.д.
Производится расплавление вещества в широкой термоустойчивой емкости.
Прекращается нагрев вещества, в расплав опускается затравка либо специальная металлическая заготовка, создающая центры кристаллизации.
По мере медленного остывания расплава вокруг затравки образуется область с переохлажденным расплавом, который стремится перейти в твердое состояние. Происходит медленный рост затравки.

Получаются правильные чистые монокристаллы вещества, растущие вглубь и в стороны внутри расплава. По мере остывания необходимо следить, чтобы весь расплав не затвердел, иначе вынуть кристалл не удастся.

Реализуем в домашних условиях с некоторыми не слишком тугоплавкими веществами. В промышленности используются другие способы, позволяющие контролировать параметры кристалла.


   2. Метод Чохральского

Очень широко используется в промышленности для выращивания кристаллов металлов и полупроводников.

Используется термоустойчивый тигель с расплавленным веществом (и обычно в инертной атмосфере).
На поверхность расплава опускается затравочный кристалл или стержень с системой охлаждения, который затем немного поднимается над расплавом. Расплав, благодаря силам поверхностного натяжения, оказывается соединен со стержнем тонкой областью. На границе касания, внутри этой области, начинается кристаллизация, причем силы поверхностного натяжения ориентируют возникающий кристалл в направлении стержня. Медленное вытягивание стержня из раствора приводит к подниманию части выросшего кристалла, все так же соединенного с раствором. На новой границе касания продолжается направленный рост кристалла.

Данный метод позволяет легко получить однородные кристаллы тугоплавких веществ с заданными свойствами.

Существует большое количество модификаций метода, предлагающих разное направление вытягивания, использование флюсов и особых системы охлаждения, но их различия не существенны и важны только для промышленности.


    3. Метод химического транспорта

Широко используется в промышленности для получения чистых кристаллов простых веществ.

Нагретое вещество под действием другого превращается в летучее или легкоплавкое соединение. На месте кристаллизации под действием сильного нагрева, разрядов тока или другого способа происходит разложение соединения на исходные вещества, одно из которых кристаллизуется на затравке или предмете, а другое переносится в начало для дальнейшего переноса.

Обычно в качестве транспорта используются газообразные галогены. Тогда метод называют методом газового транспорта

    4. Метод паровой фазы

Близок к предыдущему методу, но используются два летучих соединения, которые реагируют в обрасти возле затравки, образуя необходимое вещество.

    5. Электролитический метод

Используется для получения кристаллов простых металлов и их сплавов.

Требуется раствор или расплав соли металла, электроды и источник тока.

Электроды погружаются в раствор, на них подается постоянный ток. На одном их электродов восстанавливается металл в виде дендритов или полусфер, на другом окисляется анион кислотного остатка.

Форма, плотность и скорость роста этих дендритов зависит от величины силы тока, самой используемой соли, наличия различных примесей и некоторых других параметров.


    6. Электрохимический метод

Используется для получения относительно чистых кристаллов простых металлов.

Требуется раствор соли металла и второй металл, стоящий левее в ряду напряжений.

Второй металл опускается в раствор соли первого и химически вытесняет его, в результате чего первый вырастает в виде дендритов, корки или рыхлого покрытия на втором.

Обычно такой метод напрямую не дает сколько-нибудь крупных кристаллов, однако использование металлов, расположенных рядом в ряду напряжений, использование ингибиторов реакции либо физическое ограничение поступления раствора к металлу приводит к росту достаточно крупных образований.

Форма таких кристаллов не контролируется.
Comments