Монокристаллы и поликристаллы

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОБОУ СПО «Курский монтажный техникум»

Доклад на тему:

«Монокристаллы и поликристаллы»

Киселёв Александр Сергеевич

Курск 2014

План

Введение

1. Теория кристаллов

2. Выращивание кристаллов

3. Исследования зависимости роста кристалла от температуры

Заключение

Введение

Поликристалл - агрегат мелких кристаллов какого-либо вещества, иногда называемых из-за неправильной формы кристаллитами или кристаллическими зёрнами. Многие материалы естественного и искусственного происхождения (минералы, металлы, сплавы, керамики и т. д. ) являются поликристаллами.

Монокристалл -- отдельный однородный кристалл, имеющий непрерывную кристаллическую решётку и характеризующийся анизотропией свойств. Внешняя форма монокристалла обусловлена его атомно-кристаллической структурой и условиями кристаллизации.

В повседневной жизни мы часто встречаемся с процессом кристаллизации и образованием различных форм фигур. Например -- красивые ледяные узоры на стеклах окон зимой или белый налет на поверхности после высыхания разлившейся соленной воды. Как и почему это происходит?Поиски ответов на эти вопросы и вызвали интерес к процессу кристаллизации.

Многие монокристаллы и поликристаллы широко применяются в кристаллографии, кристаллооптике, радиотехнике, в запоминающих устройствах, для измерения слабых температур, в технике управления световыми лучами, в обработке материалов, в бурении, в часах, в точных приборах

Теория кристаллов

Кристаллы -- это твердые тела, атомы или молекулы которых занимают определенные, упорядоченные положения в пространстве. Поэтому кристаллы имеют плоские грани. Например, крупинка обычной поваренной соли имеет плоские грани, составляющие друг с другом прямые углы.

Кристаллическую структуру имеют металлы. Если взять сравнительно большой кусок металла, то на первый взгляд его кристаллическое строение никак не проявляется ни во внешнем виде куска, ни в его физических свойствах. Металлы в обычном состоянии не обнаруживают анизотропии.

Дело здесь в том, что обычно металл состоит из огромного количества сросшихся друг с другом маленьких кристалликов. Свойства каждого кристаллика зависят от направления, но кристаллики ориентированы по отношению друг к другу беспорядочно. В результате в объеме, значительно превышающем объем отдельных кристалликов, все направления внутри металлов равноправны и свойства металлов одинаковы по всем направлениям.

Твердое тело, состоящее из большого числа одиночных кристалликов, называют поликристаллическим. Одиночные кристаллы называют монокристаллами.

К поликристаллам относятся не только металлы. Большинство кристаллических тел -- поликристаллы, так как они состоят из множества сросшихся кристаллов. Одиночные кристаллы -- монокристаллы имеют правильную геометрическую форму, и их свойства различны по разным направлениям.

Жидкие кристаллы -- вещества, которые ведут себя одновременно как жидкости и как твёрдые тела. Молекулы в жидких кристаллах, с одной стороны, довольно подвижны, с другой -- расположены регулярно, образуя подобие кристаллической структуры (одномерной или двумерной). Часто уже при небольшом нагревании правильное расположение молекул нарушается, и жидкий кристалл становится обычной жидкостью. Напротив, при достаточно низких температурах жидкие кристаллы замерзают, превращаясь в твёрдые тела. Регулярное расположение молекул в жидких кристаллах обусловливает их особые оптические свойства. Свойствами жидких кристаллов можно управлять, подвергая их действию магнитного или электрического поля. Это используется в жидкокристаллических индикаторах часов, калькуляторов, компьютеров и последних моделей телевизоров.

Соблюдая большие предосторожности, можно вырастить кристалл больших размеров -- монокристалл.

В обычных условиях поликристаллическое тело образуется в результате того, что начавшийся рост многих кристаллов продолжается до тех пор, пока они не приходят в соприкосновение друг с другом, образуя единое тело-поликристалл.

Поликристалл -- агрегат мелких кристаллов какого-либо вещества, иногда называемых из-за неправильной формы кристаллитами или кристаллическими зёрнами. Многие материалы естественного и искусственного происхождения (минералы, металлы, сплавы, керамики и т. д.) являются поликристаллами.

Поликристалл отличается от монокристалла тем, что состоит из множества разно ориентированных мелких монокристаллов. Свойства поликристалла обусловлены свойствами, состоянием его кристаллических зерен, их среднего размера, строением меж зеренных границ.

Если размеры зерен малы, а сами зерна ориентированы хаотически, то в поликристалл не проявляет анизотропию. Если в поликристалле есть преимущественно кристаллографическая ориентировка зерен, то он обладает анизотропическими свойствами.

Свойства и получение

Свойства поликристаллов обусловлены свойствами составляющих его кристаллических зёрен, их средним размером, который колеблется от 1--2 мкм до нескольких мм(в некоторых случаях до нескольких метров), кристаллографической ориентацией зёрен и строением межзёренных границ. Если зёрна ориентированы хаотически, а их размеры малы по сравнению с размером поликристалла, то в поликристалле не проявляется анизотропия физических свойств, характерная для монокристаллов. Если в поликристалле есть преимущественная кристаллографическая ориентация зёрен, то поликристалл является текстурированным и, в этом случае, обладаетанизотропией свойств. Наличие границ зёрен существенно сказывается на физических, особенно механических, свойствах поликристаллов, так как на границах происходит рассеяние электронов проводимости, фононов, торможение дислокаций и др.

Поликристаллы образуются при кристаллизации, полиморфных превращениях и в результате спекания кристаллических порошков. Поликристалл менее стабилен, чем монокристалл, поэтому при длительном отжиге поликристалла происходит рекристаллизация (преимущественный рост отдельных зёрен за счёт других), приводящая к образованию крупных кристаллических блоков.

Монокристалл -- отдельный однородный кристалл, имеющий непрерывную кристаллическую решётку и иногда имеющий анизотропию физических свойств. Внешняя форма монокристалла обусловлена его атомно-кристаллической решёткой и условиями (в основном скоростью и однородностью) кристаллизации. Медленно выращенный монокристалл почти всегда приобретает хорошо выраженную естественную огранку, в неравновесных условиях (средняя скорость роста) кристаллизации огранка проявляется слабо. При ещё большей скорости кристаллизации вместо монокристалла образуются однородные поликристаллы и поликристаллические агрегаты, состоящие из множества различно ориентированных мелких монокристаллов. Примерами огранённых природных монокристаллов могут служить монокристаллы кварца, каменной соли, исландского шпата, алмаза, топаза. Большое промышленное значение имеют монокристаллы полупроводниковых идиэлектрических материалов, выращиваемые в специальных условиях. В частности, монокристаллы кремния и искусственных сплавов элементов III (третьей) группы с элементами V (пятой) группы таблицы Менделеева (например GaAs Арсенид галлия) являются основой современной твердотельной электроники. Монокристаллы металлов и их сплавов не обладают особыми свойствами и практически не применяются. Монокристаллы сверхчистых веществ обладают одинаковыми свойствами независимо от способа их получения. Кристаллизация происходит вблизи температуры плавления(конденсации) из газообразного (например иней и снежинки), жидкого (наиболее часто) и твёрдого аморфного состояний с выделением тепла. Кристаллизация из газа или жидкости обладает мощным очищающим механизмом: химический состав медленно выращенных монокристаллов практически идеален. Почти все загрязнения остаются (накапливаются) в жидкости или газе. Это происходит потому, что при росте кристаллической решётки происходит самопроизвольный подбор нужных атомов (молекул для молекулярных кристаллов) не только по их химическим свойствам (валентности), а также по размеру.

Современной технике уже не хватает небогатого набора свойств естественных кристаллов (особенно для создания полупроводниковых лазеров), и учёные придумали метод создания кристалло подобных веществ с промежуточными свойствами путём выращивания чередующихся сверхтонких (единицы - десятки нанометров) слоёв кристаллов с похожими параметрами кристаллических решёток.

Выращивание кристаллов

Чтобы вырастить кристалл, полезно знать, какие процессы управляют его ростом; почему разные вещества дают кристаллы различной формы, а некоторые вовсе не образуют кристаллов; что надо сделать, чтобы кристаллы получились большими и красивыми.

Если кристаллизация идёт очень медленно, то получается один большой кристалл, если быстро -- множество мелких кристаллов Выращивание кристаллов производят разными способами:

1. Охлаждение насыщенного раствора.

С понижением температуры растворимость большинства веществ уменьшается, и они, как говорят, выпадают в осадок. Сначала в растворе и на стенках сосуда появляются крошечные кристаллы-зародыши. Когда охлаждение медленное, а в растворе нет твёрдых примесей (скажем, пыли), зародышей образуется немного, и постепенно они превращаются в красивые кристаллы правильной формы. При быстром охлаждении центров кристаллизации возникает много, сам процесс идёт активнее и правильных кристаллов при этом не получится.

2. Постепенное удаление воды из насыщенного раствора

В этом случае чем медленнее удаляется вода, тем лучше получаются кристаллы. Можно оставить открытый сосуд с раствором при комнатной температуре на длительный срок -- вода при этом будет испаряться медленно (особенно если сверху положить лист бумаги или прикрыть марлей). Растущий кристалл можно либо подвесить в насыщенном растворе на тонкой прочной нитке, либо положить на дно сосуда. В последнем случае кристалл периодически надо поворачивать на другой бок. По мере испарения воды в сосуд следует подливать свежий раствор.

3. Быстрое удаление воды из насыщенного раствора

В этом случае кристаллы получаются правильной формы, с острыми гранями, но мелкими (раствор находился в широком сосуде рядом с нагревателем).

Выращивание кристаллов -- процесс интересный, занимательный, но требующий бережного и осторожного отношения к своей работе. Время от времени кристаллизатор необходимо чистить: сливать раствор и удалять мелкие кристаллики, наросшие на основном, а также на стенках и дне сосуда. Теоретически размер кристалла, который можно вырастить таким способом, неограничен. Если выращенный кристалл оставить открытым в сухом воздухе, он, постепенно теряя содержащуюся в нём воду, превратится в невзрачный серый порошок. Чтобы предохранить кристалл от разрушения, его можно покрыть бесцветным лаком.

Выращивание кристаллов поваренной соли

Этот процесс не требует наличия каких-то особых химических препаратов. Кристаллы поваренной соли NaCl представляют собой бесцветные прозрачные кубики.

Насыпал пищевую соль в стакан с водой при температуре 20°С и оставил на несколькоминут, предварительно помешав. За это время соль растворилась. Затем добавил ещё соль и снова перемешал. Повторял этот этап до тех пор, пока соль уже не будет растворяться и будет оседать на дно стакана. Так я получил насыщенный раствор соли. Перелил его в чистый стакан такого же объёма, избавившись при этом от излишек соли на дне. Выбралодин более крупный кристаллик поваренной соли и положил его на дно стакана с насыщенным раствором. Уже через 3 дня было заметно значительный для кристаллика рост. С каждым днём он увеличивался. Затем проделал всё то же ещё раз (приготовил насыщенный раствор соли и опустил в него этот кристаллик), он стал расти гораздо быстрее -- от размеров 0,3 до ,0,9 см за следующие 3 дня.

Выращивание кристаллов медного купороса

Раствор медного купороса приготовил следующим образом: налил воды в стакан (200 г) и поставил его в кастрюлю с тёплой водой при 50°С и начал растворять 100 гпорошка медного купороса также, как и раствор поваренной соли, оставил на несколько дней. Сначала, способом быстрого испарения в открытом сосуде на стенках получил монокристалл медного купороса.

Затем поместил его в новый раствор для дальнейшего наращивания при комнатной температуре и закрытом сосуде. Через 2 недели получил поликристалл размером 2,8 см.

Выращивание красных кристаллов меди:

На дно широкой чаши, равномерно по площади дна, положил немного медного купороса, сверху насыпал поваренной соли и закрыл всё это вырезанным кружком бумаги, на неё положил железные стружки. Всё это вместе залил насыщенным раствором поваренной соли и оставил чашу на неделю. За это время выросли игло угольные красные кристаллы меди. Затем, также как и в предыдущем случае, произвел наращивание и получил монокристалл и поликристаллы.

Исследования зависимости роста кристалла от температуры

Результаты исследования зависимости роста от температуры кристаллизации показали,что, чем выше температура кристаллизации, тем больше размеры и острее углы(см. рис. 9 и 10). Оба раствора готовились при температуре 80°С, затем, для кристалла № 9 поддерживалась температура 32--35°С, а для № 10 -- температура 58--60°С., росли в течении 2 недель.

Процесс кристаллизации можно использовать для покрытия поверхности различных фигур.

Многие вещества могут существовать в нескольких кристаллических модификациях (фазах), отличающихся физическими свойствами. Это явление называетсяполиморфизмом. Переход из одной модификации в другую называется полиморфным переходом. Интересным и важным примером полиморфного перехода является превращение графита в алмаз. Этот переход при производстве искусственных алмазов осуществляется при давлениях 60-100 тысяч атмосфер и температурах 1500-2000 К.

Структуры кристаллических решеток экспериментально изучаются с помощью дифракции рентгеновского излучения на монокристаллах или поликристаллических образцах.

На рис. 3.6.2 приведены примеры простых кристаллических решеток. Следует помнить, что частицы в кристаллах плотно упакованы, так что расстояние между их центрами приблизительно равно размеру частиц. В изображении кристаллических решеток указывается только положение центров частиц.

В простой кубической решетке частицы располагаются в вершинах куба. кристалл поваренная соль выращивание

В гранецентрированной решетке частицы располагаются не только в вершинах куба, но и в центрах каждой его грани. Изображенная на рис. 3.6.1 решетка поваренной соли состоит из двух вложенных друг в друга гранецентрированных решеток, состоящих из Na⁺ и Cl-. В объемно центрированной кубической решетке дополнительная частица располагается в центре каждой элементарной кубической ячейки.

Кристаллические структуры металлов имеют важную особенность. Положительно заряженные ионы металла, образующие кристаллическую решетку, удерживаются вблизи положений равновесия силами взаимодействия с «газом свободных электронов» (рис. 3.6.3). Электронный газ образуется за счет одного или нескольких электронов, отданных каждым атомом. Свободные электроны способны блуждать по всему объему кристалла.

Заключение

Результаты исследований показали, что форма и размеры кристаллов зависят от температуры насыщенного раствора, (это можно увидеть по полученным кристаллам).

Используя эту технологию выращивания кристаллов можно покрыть кристаллами нужного цвета поверхность различных фигур.

В целом процесс выращивания кристаллов из растворов, при котором играет роль диффузия тепла и «питательного» материала, но самое главное-распределение и укладка молекул при выходе их на кристалл, настолько сложен, что в настоящее время невозможно дать количественную оценку скорости роста кристаллов в терминах молекулярных перемещений. Иными словами, до сих пор никто еще не смог, приняв за основу некоторые числовые характеристики, отражающие свойства и движение молекул, успешно рассчитать скорость роста кристалла.

Размещено на Allbest.ru