Выращивание искусственных кристаллов: Искусственные кристаллы, природные кристаллы, выращивание камней

Содержание

Искусственные кристаллы, природные кристаллы, выращивание камней

Природные крситаллы. ТопазПриродные кристаллы. БериллПриродные кристаллы. БериллПриродные кристаллы. МорионПриродные кристаллы. ТопазПриродные кристаллы. МорионПриродные кристаллы. Аметист

Природные кристаллы

Среди различных горных пород встречаются кристаллические (обычно магматические и вулканические породы) и некристаллические (обычно осадочного происхождения). Особый интерес представляют кристаллические горные породы (или природные кристаллы), о которых и пойдёт речь.

Среди выставленных в магазинах на показ драгоценных и полудрагоценных камней (представленных в виде природных кристаллов или осадочных пород) у некоторых из них имеется табличка «натуральный камень». Это означает, что такие камни найдены в природе, обработаны и выставлены на продажу. А что тогда представляют остальные камни без табличек? Это минералы и камни выращены на заводе! (или искусственные кристаллы). Можно выращивать аметисты, цитрины, морионы, которые не будут уступать естественным минералам. Но вот себестоимость таких минералов и камней будет гораздо ниже! (конечно это относится не ко всем минералам, выращиваемым искусственным путём)

Выращивание искусственных кристаллов интересовало людей ещё в IX веке. И прежде всего интерес представляли драгоценные минералы: рубин и сапфир. Сейчас такие минералы производятся миллионами карат ежегодно!

Искусственные кристаллы камней производят из расплавов, из растворов, из газа, но конечно, для каждого минерала существует свой способ получения, своя технологическая особенность. (С этой особенностью связано такое разнообразие минералов в природе!). Например, кристаллы кварца (горный хрусталь, аметист, морион) растут в водных растворах природных минерализаторов. Об этом свидетельствует химический состав кварца. Для

выращивания искусственного кристалла камня природные условия моделируются также искусственно!

Интересен вопрос о скорости роста. Здесь нет однозначного ответа. Скорость роста искусственных кристаллов камней зависит от условий роста, глубине залегания породы и давления, концентрации природного раствора, какие породы окружают растущий кристалл и многое другое. Если учесть то, что в самом среднем случае рост минералов может происходить годами и веками, то создавая искусственные условия выращивания кристаллов камней

, получили почти «космическую» скорость — сравнимую со скоростью роста волос у человека! Если кратко описать процесс искусственного выращивания кристаллов камней, то исходное сырьё (например некрасивый, разрушенный кварц) разрушается в щелочи до молекулярного состояния и затем из молекул кремнезёма (SiO2) создаётся идеально правильный прозрачный кристалл. Делается это с помощью специальных затравок. Затравки для выращивания искусственных минералов — прозрачные тонкие вытянутые в длину пластинки, изготавливаемые из тех же синтетических кристаллов. При этом обязательно контролируется соответствующая температура, давление, концентрация раствора. Малейшие отклонения от заданных параметров — и кристалл будет безнадёжно испорчен! Ещё одним важным условием выращивания искусственных камней — это перепад температур внизу и вверху ёмкости где они растут. При этом происходит перенос молекул в растворе и поступление их к затравкам.

Искусственные кристаллы аметистов

Искусственные драгоценные и полудрагоценные камни, например, аметисты, выращенные на заводе, ничем не отличаются от своих знаменитых уральских и бразильских собратьев: ни внешне, ни по структуре.
Удивляет не богатство разновидностей кристаллов, их цветовых оттенков, а сам размер! такие драгоценности увидишь не часто! Лимонно-жёлтый цитрин, нежно-голубой и ярко-синий перунит, фиолетовый аметист, дымчатый раухтопаз, почти чёрный морион, голубая бирюза, аквамариновые бериллы, янтарно-коричневый топаз, — смотришь и не можешь наглядеться!

Ещё в древности камням приписывали самые удивительные свойства. Аметист с давних времён считался амулетом против опьянения и отравления, отгонял от владельцев дурные мысли, делал человека добрым и разумным. Женщины особенно ценили его как средство от морщин и веснушек. В средние века аметист дарили только любимым. Аметист носят те, кто родился в феврале.

Известность аметиста объясняется его фиолетовым цветом разной густоты и оттенков. Долго не могли понять природу окраски камня. Сначала предполагали, что эту окраску придаёт камню марганец. Но воспроизвести искусственным путём — не получалось. Позже стало известно, что аметистовая окраска кварца (а аметист — это кварц) вызвана наличием ионов четырёхвалентного железа. Эти ионы входят в кристаллическую решётку и замещают в ней кремний.

В ходе экспериментов обнаружено то, что если ионы железа займут иное положение, то получится другая окраска кристалла. Многое зависит от концентрации раствора, в котором растут искусственные кристаллы. Слабее концентрация — примеси железа окрашивают кварц в бурый цвет, сильнее концентрация — цвет становится зелёным. Цветом можно играть и выбирать самые выразительные оттенки!

Но технология окрашенного кварца не получила распространения. Во-первых, соли металлов, входящих в природный минерал, не «хотели» растворяться в щелочах; во-вторых, растущие кристаллы «стремились отторгнуть от себя» примеси (то есть все цветовые добавки). Именно поэтому во многих странах технология выращивания

искусственных кристаллов камней так и не налажена.

Разработаны новые методы и сегодня известны 2 технологии. Аметисты выращивают кристаллизацией из раствора в автоклавах. Технологический цикл роста длится 2 месяца. Аметисты получаются совершенно бесцветными и почти ничем не отличаются от самого обычного кварца. Для проявления окраски выращенные искусственные аметисты подвергают гамма или рентгеновскому облучению (все естественные горные породы облучались, благодаря радиоактивным вкраплениям). Кстати, месторождения

природных кристаллов аметистов расположены в тех зонах, где имеется повышенный уровень радиоактивности.

Цена аметистов в значительной степени зависит от цвета камня. Бледно-лиловые или светло-фиолетовые минералы обычно в десятки раз дешевле, чем густо-фиолетовый. Минералы, выращенные на заводе имеют густой фиолетовый цвет.

Удивительно, что в одних и тех же условиях получают разные минералы — и аметисты, и цитрины. Вот, где рождаются россыпи самоцветов! Всё зависит от ориентации затравочных пластин и от того, в каком направлении идёт рост. Например, для аметиста берут пластины с параллельными гранями. В зависимости от ориентации платсин примеси химических соединений входят к кристаллическую решётку по-разному. В итоге — разные минералы, разный цвет! Тёмно-дымчатая, почти чёрная окраска мориона объясняется наличием алюминия, кроме того, выращенные кристаллы обязательно облучают.

Очень красив кварц голубого цвета (перукнит). Его окраска объясняется наличием ионов кобальта. Возможно получить оттенки от нежно-голубого до ярко-синего василькового. Но в природе такая разновидность кварца ещё не найдена.

Из жёлтых или жёлто-зелёных бериллов после нагревания получают кристаллы дивной красоты с голубоватой или голубовато-зелёной окраской. После такой обработки камень называют аквамарином.

Как синтезируют ювелирные камни. Процесс синтеза искусственных драгоценных камней

Современная история создания искусственных самоцветов началась в 1857 году, когда французский химик Марк Годэн, сплавив две соли — квасцы (сульфат калия и алюминия) и хромат калия, получил кристаллы рубина весом около 1 карата.

 

К синтетическим ювелирным камням относятся искусственно полученные моно- или поликристаллические и аморфные химические соединения. Среди синтетических ювелирных материалов можно выделить две группы. К первой относятся камни, представляющие собой структурные и химические аналоги природных кристаллов, но отличаются составом и содержанием микропримесей. К ним, например, относятся — алмаз, рубин, сапфир, изумруд, аметист, александрит. А ко второй группе — камни, полученные в лабораторных условиях, но не имеющие аналогов в природе, например, фианит, иттрий-алюминиевый гранат (ИАГ), галлий-гадолиниевый гранат (ГГГ).

 

Методы синтеза драгоценных камней

В настоящее время применяются различные методы синтеза драгоценных камней и выращивания ювелирных кристаллов, основными из которых являются группы расплавных (методы Вернейля, Чохральского, зонной и гарнисажной плавки) и раствор-расплавных методов (методы флюса, гидротермального синтеза и синтеза ювелирных алмазов при высоких давлениях), а также некоторые другие.

 

Метод Вернейля. В 1896 году французский ученый Огюст Вернейль сконструировал специальную печь с водородно-кислородной горелкой для синтеза рубинов, и началась эра промышленного производства синтетических ювелирных камней.

 

Синтез драгоценных камней осуществляется из расплава, получаемого при плавлении шихты (в случае синтеза рубина шихта представляет собой смесь окислов алюминия и хрома). Печь сконструирована таким образом, что шихта осыпается вниз небольшими порциями в потоке кислорода, попадая в камеру горения, куда подается водород, и где расположена горелка. Здесь шихта плавится, а получившаяся капля попадает на керамическую подложку, на которой вначале образуется конус, переходящий потом в цилиндр — монокристалл. Полученный кристалл называется булей (см. фото 1), размер которой обычно составляет в длину 5-10 см при диаметре около 2 см (современные технологии позволяют получать були до 60-70 см в длину). Для получения були среднего размера требуется около 4 часов. Полученные кристаллы обладают сильным внутренним напряжением и часто раскалываются на несколько частей.

 

  

Фото 1. Разноцветные фианиты (сырье) и буля синтетического рубина (внизу) (коллекция ГЦ МГУ, фото авторов)

 

Методом Вернейля к настоящему времени удалось вырастить более ста различных видов кристаллов. Однако наибольшее промышленное значение он имеет, как правило, при выращивании рубина, сапфира и других окрашенных разновидностей корунда, включая и звездчатые камни, а также шпинели (См. фото 2).

 

    

Фото 2. Ограненные синтетические рубины и сапфиры (коллекция ГЦ МГУ, фото авторов).

 

Метод Чохральского. Данный метод позволяет получать кристаллы очень высокого качества. Исходное вещество (смесь окислов соответствующего состава) плавится в тигле из тугоплавкого металла (например, платины или иридия), который нагревается спиральным нагревателем, намотанным непосредственно на тигель. Кристаллизация начинается на затравке, касающейся поверхности расплава, которую постепенно вращают и поднимают (вытягивают) из расплава (со скоростью 5-30 мм/час). Полученные кристаллы представляют собой стержни диаметром 2,5-6 см и длиной 20-25 см. К кристаллам, выращиваемым этим методом относятся рубины, сапфиры, ИАГ, ГГГ и другие синтетические гранаты, а также александрит.

 

Метод Чохральского позволяет получать кристаллы, которые являются прекрасным ювелирным материалом, поскольку они значительно более однородные, чем кристаллы, выращенные методом Вернейля.

 

Метод гарнисажной плавки. Метод заключается в плавлении и кристаллизации вещества в его же собственной холодной «рубашке» и применяется для выращивания тугоплавких кристаллов (фианита, корундов, ИАГ и некоторых других). Для плавления вещества применяется высокочастотный нагрев. После нагрева расплав выдерживается несколько часов (для обеспечения отгонки примесей и установления однородности среды), затем медленно охлаждается, в результате чего кристаллизуются столбчатые кристаллы (См. фото 1).

 

Метод зонной плавки. Суть метода заключается в следующем: исходная шихта, представляющая собой смесь предварительно прокаленных окислов основных исходных компонентов с примесями, и затравка помещаются в молибденовую лодочку, которая затем медленно протягивается вдоль нагревателя. По мере движения лодочки в шихте возникает довольно узкая расплавленная зона, которая при дальнейшем перемещении лодочки затвердевает с образованием монокристалла. Ширина получаемого кристалла 8 см, высота — 2 см, длина — 18 см, время роста 4 дня. Среди внутренних дефектов у выращенных кристаллов наблюдается блочность и трещиноватость.

 

Данный метод синтеза драгоценных камней технически прост, позволяет выращивать монокристаллы в форме пластин и успешно применяется для получения крупных монокристаллов корунда различных окрасок, ИАГ и других синтетических гранатов.

 

Метод синтеза из раствора в расплаве и гидротермальный синтез. При выращивании синтетических ювелирных камней широкое применение получили методы кристаллизации из раствора в расплаве (метод флюса) и из гидротермальных растворов.

 

Выращивание кристаллов методом флюса в основном применяется для получения тугоплавких веществ, кристаллизация которых из расплава при быстром охлаждении невозможна. В качестве растворителей (флюса) служат расплавы легкоплавких окислов (свинца, молибдена, бора и др.) или солей (KF, PbF2, CaCl2и др.). Процесс синтеза проходит в платиновых, иридиевых или графитовых тиглях, помещенных в специальные печи. Кристаллизация происходит либо в результате постепенного охлаждения расплава, либо в условиях испарения расплава, либо методом температурного перепада. Данный метод позволяет получать кристаллы изумруда, корунда, александрита размером в несколько сантиметров (См. фото 3).

 

  

Фото 3. Изумруды, выращенные гидротермальным и раствор-расплавным методом: сырье и ограненные камни (коллекция ГЦ МГУ, фото авторов).

 

Для выращивания ювелирных кристаллов особенно перспективным является метод гидротермального синтеза. Рост кристаллов осуществляется в герметичных сосудах высокого давления (автоклавах), позволяющих проводить процесс синтеза при температурах 250-600˚С и давлениях в десятки и первые  сотни мегапаскалей. В качестве растворителя в данном методе применяется вода, растворяющая способность которой резко возрастает при высоких температурах и давлениях, обеспечиваемых в автоклаве. Рост кристаллов осуществляется на затравках в результате температурного перепада.

 

Метод гидротермального синтеза широко применяется для выращивания кварца различных окрасок (См. фото 4) и изумрудов. Гидротермальные кристаллы кварца достигают веса несколько килограмм, а размер изумрудов до 10 см. В последнее время началось использование метода для синтеза рубинов.

 

       

Фото 4. Кристаллы кварца различных цветов, выращенные гидротермальным методом (коллекция ГЦ МГУ, фото авторов). 

 

Метод синтеза ювелирных алмазов при высоких давлениях.

 

В феврале 1955 года появилось сообщение о первой успешной попытке синтеза алмаза, осуществленного в исследовательской лаборатории американской фирмы GeneralElectric. А в начале 1970 года в этой же лаборатории были получены кристаллы алмаза ювелирного качества различной окраски весом до 1 карата. В настоящее время синтетические алмазы производятся не только в США, а также в Швеции, ЮАР, Японии и в России.

 

Основным промышленным методом синтеза алмазов является раствор-расплавный металл-углеродный синтез при высоких давлениях (температура 1400-1600˚С, давление 5000-6000 МПа). В качестве исходной шихты обычно используют графит (хотя возможны и другие углеродсодержащие вещества) и металлы или сплавы железа, никеля, кобальта, платины и палладия. Для создания необходимых термобарических параметров используют мощные гидравлические прессы, снабженные камерами высокого давления.

 

В настоящее время достигнуты большие успехи в области синтеза алмаза, синтезируют и цветные, и бесцветные алмазы очень разных рызмеров (См. фото 5, 6).

 

 

Фото 5. Синтетический алмаз российского производства (коллекция ГЦ МГУ, фото Д. Ермолаева)

Фото 6. Ограненный синтетический алмаз российского производства (коллекция ГЦ МГУ, фото Д. Ермолаева) 

 

Помимо описанных методов синтез получения монокристаллов ювелирных камней существуют методы выращивания поликристаллических агрегатов — бирюзы, малахита и также методы выращивания  благородного опала. В большинстве случаев методика синтеза драгоценных камней этих и некоторых других ювелирных материалов является коммерческой тайной их производителя.

 

Таким образом, в настоящее время на рынке часто можно встретить ювелирные изделия, в которых в качестве вставок применяются синтетические камни. Поскольку технологии получения синтетических материалов постоянно совершенствуется, то можно ожидать, что в будущем их количество возрастет, а также улучшится их качество и сходство с природными камнями.

Способы выращивания искусственных кристаллов КРИСТАЛЛЫ от

Способы выращивания искусственных кристаллов

КРИСТАЛЛЫ – (от греч. krystallos, первонач. – лед), твердые тела, атомы или молекулы которых образуют упорядоченную периодическую структуру (кристаллическую решетку).

Искусственные кристаллы камней производят из расплавов, из растворов, из газа, но конечно, для каждого минерала существует свой способ получения, своя технологическая особенность. (С этой особенностью связано такое разнообразие минералов в природе!) Например, кристаллы кварца (горный хрусталь, аметист, морион) растут в водных растворах природных минерализаторов. Для выращивания искусственного кристалла камня природные условия моделируются также искусственно!

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 разноориентированных мелких монокристаллов. Свойства поликристалла обусловлены свойствами, состоянием его кристаллических зерен, их среднего размера, строением межзеренных 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.

В зависимости от элементов, которые находятся в узлах кристаллической решетки, все кристаллы делятся на 4 группы: ИОННЫЕ АТОМНЫЕ МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ

1. Одним из способов выращивания кристаллов является охлаждение насыщенного раствора. Так как весь процесс создания драгоценностей – это в 99% выращивание кристаллов из соли, то и раствор будет соляным. Каждое вещество имеет свою граничную растворимость, т. е. в определенном растворителе может раствориться определенной количество соли и не более. Охлаждение насыщенного раствора используется для тех веществ, растворимость которых напрямую зависит от температуры жидкости. Например, при температуре 90 С в 100 г воды может раствориться 200 г алюминиевых квасцов, а при температуре 20 С уже только 10 г. Вот и принцип способа – при охлаждении из раствора «выталкивается» соль, образуя кристалл, а чаще – кристаллы.

2. С помощью этого способа, нам нужно лишь удалить лишнюю влагу жидкости из насыщенного раствора. При этом чем медленнее будет испаряться вода, тем качественней получится кристалл.

3. Получение кристаллов из раствора или расплава вещества путем медленного охлаждения. Наиболее качественными получаются кристаллы, которые выращиваются с помощью затравки, помещенной в раствор или расплав. Лучше всего для этой цели использовать уже готовый кристалл правильной формы. Кристаллы образуются также и при конденсации паров – именно такой способ образования кристаллов мы видим зимой на окнах.

ИСКУССТВО ВЫРАЩИВАНИЯ КРИСТАЛЛОВ — Блог о минералах — LiveJournal

LAB GROWN MINERALS    ЧАСТЬ I
ЧАСТЬ II
ЧАСТЬ III
послесловие

«Голос красоты звучит тихо: он проникает только в самые чуткие уши», — говорил Фридрих Ницше. У каждого человека свое понятие и видение прекрасного, но тот, кто любит природу, способен оценить даже самые маленькие и невзрачные кристаллы минералов. Поделюсь с вами некоторой информацией про творения рук человеческих. Хочу заметить также, что очень часто целью создания искусственных минералов является элементарный обман коллекционеров. Не всегда при покупке нового образца Вам сообщат о его происхождении. Будем разбираться вместе.

ВЫРАЩИВАНИЕ КРИСТАЛЛОВ

В природе кристаллы минералов часто формируются в водных растворах природных минерализаторов. Для выращивания кристаллов минералов природные условия моделируются искусственно.
Выращивание кристаллов минералов производят
— из расплавов,
— из растворов,
— из газа.
По способу получения кристаллы, выращенные в лаборатории можно разделить на два вида:
— кристаллы, которые могут быть выращены в водном растворе при более или менее комнатной температуре,
— кристаллы, которые выращиваются в сосудах высокого давления или какой-либо других специальных устройствах.
На многочисленных интернет-аукционах при знакомстве с предложениями минералов коллекционеры могут встретить две группы выращенных в лаборатории кристаллов:
— кристаллы, идентичные по составу с природными минеральными видам:
— минералы, несуществующие в природе

МИНЕРАЛЫ ИЗ ПРИРОДЫ

Буссенготит (BOUSSINGAULTITE)
Минерал назван в 1864 году по имени Жан-Батист Жозеф Дьедонне Буссенго (1802-1887), французского химика.
Цвет в природе: бесцветный, желтовато-розовый. Часто продается в Интернет-магазинах буссенготит окрашенный при выращивании , путем введения примесей металлов, например, титана. А некоторые минералы по природе бесцветные окрашивают пищевыми красителями, добавляя их в исходный раствор. Вот примеры буссенготита:



Халькантит (CHALCANTHITE)
А этот красивый синий минерал всем знаком как кристаллики медного купороса. Халькантит — вторичный минерал, который в природе образуется в условиях сухого климата или быстропротекающих окислительных процессах в медных месторождениях. Он, как правило формируется после добычи меди под воздействием кислых поверхностных вод по медным жилам. Минерал растворим в воде. Многие хорошо кристаллизованные образцы, предлагаемые к продаже — искусственно выращенные на матрице.
Вот примеры

Эти зеленые минералы — тоже халькантиты, и тоже искусственно выращенные



ИСКУССТВЕННЫЙ МИНЕРАЛ

Ниахит (NIAHITE)
Аналогичными природными ископаемые являются Бифосфаммит (Biphosphammite) и Арчерит (Archerite), типичные минералы в корках, а не в огромных кристаллах. Название Niahite означает вещество со следующей химической формулой (Nh5) (Mn + +, Mg, Ca) РО4 · (h3O).
И выглядит вот так! Бывают также голубые и зеленые кристаллы аналогичной формы. В продаже такие кристаллы видимо встречаются крайне редко

Все фотографии, (кроме последней) взяты из интернет-аукционов, где продавцы открыто объявляли об искусственном происхождении минералов
ПРОДОЛЖЕНИЕ СЛЕДУЕТ…

Выращивание кристаллов 


 
Мы уже опубликовали очень много бизнес идей. Возникает резонный вопрос – какой идее отдать предпочтение Ответ прост – перспективной, то есть той, которая будет приносить стабильный доход. Для начинающих бизнесменов идея должна быть легкой и реальной в плане ее воплощения в жизнь. При этом для новичков представляет больший интерес та идея, которая требует небольшой первоначальный капитал. Всем выше указанным критериям соответствует данная идея, в основе которой лежит изготовление искусственных камней для ювелирных изделий. 
 
В основном современная бижутерия и ювелирные изделия облагорожены камнями искусственного происхождения. Кажется, что такие камешки (далее кристаллы) не представляют какой-либо ценности в сравнении с природными дарами. Но это ошибочное мнение, так как искусственные кристаллы достаточно прочны, чисты и имеют привлекательный внешний вид. Специалисты заверяют, что искусственные кристаллы по качеству ничем не хуже природных камней. Искусственные кристаллы хороши и тем, что они не требуют затрат, характерных при добыче природных драгоценных камней. А ведь подобные затраты очень велики.

Популярность получения кристаллов искусственным способом ежегодно растет. Современный подход к получению камней доступен для большинства предпринимателей. Не будем скрывать, что цена искусственного кристалла и природного рознится. Вас это испугало Зря волнуетесь. Ответьте сами на следующий вопрос – сколько из 100 человек может себе позволить приобрести дорогостоящее золотое кольцо, украшенное натуральным рубином или бриллиантом А как модна в наше время стала недорогая бижутерия Напомним об одном из принципов тех, кто по-настоящему добился успеха: Генри Форд – стремился создать авто доступное всем, Билл Гейтс – мечтал, когда же он сможет подарить каждой семье по ПК и т.д.
Совет: ориентируйтесь не на элиту, а на простых смертных, т.е на массового покупателя.

Чем же еще хороша наша бизнес идея Отпадает необходимость в разрешениях и лицензиях. Законодательство не ограничивает предпринимателей, которые задались целью заняться именно этим видом бизнеса. Следует понимать, что не закон адаптируется под нас, а совсем наоборот. Поэтому консультация с юристом будет нелишней. 
Что касается клиентов, скорее всего, вы уже все поняли. Воспользуйтесь обычной пропорцией и рассчитайте, сколько процентов из ста придется на ваших покупателей.

Как вырастить кристалл

Теперь несколько слов о возможных вариантах получения кристаллов. Уверяем вас, в этом нет ничего сложного, если вы посещали занятия по химии в 8-9 классах. Исходным материалом в синтезе служит поваренная соль.

Рассмотрим первый способ. Получаем насыщенный соляный раствор, охлаждаем его.

Каждому веществу характерен свой предел растворимости. При этом охлаждению подлежат те вещества, на которые влияет температура жидкости. Приведем простой пример. Вода в количестве 100 г может 200 г алюминиевых квасцов, если ее температура составит 90 градусов. Понижение температуры до 20 градусов приведет к снижению степени растворимости – 10 г. Далее последует охлаждение – оно вытесняет соль. В результате образуется ваш товар – кристалл(ы).

Второй способ. Сначала получаем насыщенный раствор (также используется поваренная соль). Затем излишнее количество жидкости подлежит удалению. Учтите, что медленный процесс испарения жидкости является гарантом доброкачественности кристалла.
Кристаллы можно получать и третьим методом. Сначала растворяется вещество, затем оно медленно охлаждается. Для повышения качества кристаллов их нужно получать при использовании затравки, которая помещается в раствор (расплав).
Кристаллы можно получить, если конденсировать пары. Подобное явление вы можете увидеть в зимний период на окне.

При желании искусственные самоцветы можно выращивать в домашних условиях. Для этого потребуются значительные затраты времени. Терпение в этом деле очень важно, но подобные жертвы будут оправданы доходом. Рациональнее использовать комплект для получения кристаллов. Чаще используют при выращивании искусственных камней медный купорос, который имеет голубой цвет. Данное исходное сырье доступно, достаточно зайти в магазин специализирующийся на продаже товаров для садоводов и огородников. Причём стоит он дешево. Получать камни можно и из сахара. Такие подходы к получению кристаллов ориентированы на собственные нужды, например, на развлечение детишек.

Как Вы понимаете, для промысла потребуется специальное оборудование. Без него вы не сможете получить кристаллы, которые будут представлять интерес для ювелиров.
Несколько слов о выгоде бизнеса по выращиванию кристаллов. Прибыль очевидна, что подтверждается выше указанными доводами. Чтобы не быть голословными приведем простой пример. Если вашей целью станет рубин в 30 карат, то для ее достижения придется выделить не более трех часов. При этом затраты электроэнергии составят около 3 кВт/ч. Примерные затраты – 1 доллар. За необходимые материалы (оксид хрома – 0,2 г, окись алюминия – 6 г) надо будет отдать небольшую сумму – примерно 0,5 доллара. Как видите, уровень рентабельности в таком виде предпринимательской деятельности может быть велик. Естественно, что заблаговременно нужно позаботиться о путях реализации ваших кристаллов.

Главное в бизнесе – это творческий подход к делу. Лишь в этом случае вы будете получать как прибыль, так и удовольствие, что и предполагается современным понятием «бизнес».

Источник:

История получения искусственных кристаллов

Первую попытку получения искусственных кристаллов можно отнести к Средневековью, к периоду расцвета алхимии. И хотя конечной целью опытов алхимиков было получение золота из простых веществ, можно предположить, что они пытались вырастить кристаллы драгоценных камней.

Целенаправленное создание искусственных кристаллов минералов связано с именем французского химика М. Годена, которому в 1837 г. удалось получить мельчайшие (в 1 карат – 0,2 г) кристаллы рубина. В дальнейшем предпринимались неоднократные попытки получения искусственных рубинов, и уже в конце XIX в. удалось синтезировать ряд соединений группы корунда. А в 1902 г. французский химик М.А. Вернейль начал поставлять на мировой рынок синтетические рубины, позже сапфиры и шпинели.

Несколько позже были синтезированы кристаллы многих драгоценных камней, нашедшие наряду с природными широкое применение не только в качестве ювелирного сырья, но и в промышленности, где понадобились уже монокристаллы достаточно крупных размеров.

В последние полвека в связи с бурным развитием техники и приборостроения с каждым годом возрастает потребность в кристаллах, обладающих специфическими свойствами, такими как пьезоэлектрические, полупроводниковые, люминесцентные, акустические, лазерные, оптические и т.д. Кроме того, для создания современных приборов требуются кристаллы с такими уникальными свойствами, которыми природные объекты не обладают. Все это способствует становлению промышленного выращивания искусственных кристаллов.

Работы по теории и практике выращивания кристаллов способствовали интенсивному развитию научных исследований в области процессов реального кристаллообразования, в частности в природных условиях.

Моделирование природных процессов кристаллообразования в лаборатории позволяет понять и объяснить ряд причин зарождения, роста и разрушения кристаллов в реальных условиях.

13.

Выращивание монокристаллов из расплава

Наиболее распространенные способы выращивания монокристаллов. В настоящее время более половины технически важных кристаллов выращивают из расплава. Этими методами выращивают элементарные полупроводники и металлы, оксиды, галогениды, халькогениды, вольфраматы, ванадаты, ниобаты и другие вещества. В ряде случаев из расплава выращиваются монокристаллы, в состав которых входит пять и более компонентов. Наличие альтернативных методов выращивания кристаллов из расплава позволяет на основании сравнительного анализа их основных технологических характеристик правильно выбрать тот или иной метод получения кристаллов с различными свойствами.

Веществами, наиболее подходящими для выращивания из расплава, являются те, которые плавятся без разложения, не имеют полиморфных переходов и характеризуются низкой химической активностью. При кристаллизации из расплава важно учитывать процессы, влияющие на состав расплава (термическая диссоциация, испарение, взаимодействие расплава с окружающей средой), процессы на фронте кристаллизации, процессы теплопереноса в кристалле и расплаве, процессы массопереноса (перенос примесей, обусловленный конвекцией и диффузией в расплаве).

Один из наиболее широко используемых промышленных методов получения полупроводниковых и других монокристаллов это метод Чохральского. Разработан в 1918 году. Исходный материал (шихту) загружают в тугоплавкий тигель и нагревают до расплавленного состояния. Затем затравочный кристалл в виде тонкого стержня диаметром в несколько мм устанавливают в охлаждаемый кристаллодержатель и погружают в расплав. Столбик расплава, осуществляющий связь растущего кристалла с расплавом, поддерживается силой поверхностного натяжения и формирует мениск между поверхностью расплава и растущим кристаллом. При этом граница расплав-кристалл, т. е. фронт кристаллизации, оказывается расположенной над поверхностью расплава. Высота расположения границы раздела зависит от степени перегрева расплава и условий теплоотвода от затравки. После частичного оплавления торца затравки ее вместе с растущим на ней кристаллом вытягивают из расплава. В результате теплоотвода через затравку на ней начинается ориентировочная кристаллизация. Диаметр растущего кристалла регулируется путем подбора скорости вытягивания и температуры расплава. В процессе вытягивания кристалл вращают с целью перемешивания расплава и выравнивания температуры на фронте кристаллизации.

Преимущество метода вытягивания из расплава по сравнению с другими методами заключается в том, что кристалл растет в свободном пространстве без контакта со стенками тигля, при этом достаточно легко можно менять диаметр растущего кристалла и визуально контролировать рост. Методами вытягивания из расплава в настоящее время выращивают большинство полупроводниковых (кремний, арсенид галлия, фосфид и арсенид индия и др.) и диэлектрических материалов, синтетических кристаллов драгоценных камней. Технологические особенности проведения процесса определяются свойствами выращиваемого материала и требованиями, как по геометрическим параметрам, так и по физико-химическим свойствам, предъявляемыми к монокристаллу.

Для выращивания монокристаллов полупроводниковых соединений, содержащих в своем составе легколетучие компоненты, используют метод Чохральского с жидкостной герметизацией расплава. В этом случае кристаллизуемый расплав находится под слоем легкоплавкого флюса, плотность которого меньше плотности расплава. Тигель с расплавом и флюсом помещают в рабочую камеру, в которой создают давление инертного газа на 50 –100% превышающее давление пара летучего компонента.

В общем случае выращивание монокристаллов полупроводников методом Чохральского можно проводить как в вакууме, так и в атмосфере инертного газа, находящегося под различным давлением. Выращивание монокристаллов разлагающихся полупроводниковых соединений методом жидкостной герметизации проводят под высоким давлением инертного газа (10Мпа). Метод Чохральского может осуществляться как в контейнерном, так и бесконтейнерном вариантах.

Низкоградиентный метод Чохральского разработан для выращивания кристаллов смешанных оксидов вольфрама и молибдена в конце19 80-х гг. для выращивания сцинтилляционных кристаллов, например, германата висмута Bi4Ge3О12. В этом методе длинный тигель с расплавом помещают в печь сопротивления, имеющую, как правило, не менее трех зон с независимыми контурами регулирования температуры. Поскольку визуальное наблюдение за процессом в данной конфигурации невозможно, и снижение градиентов при росте кристаллов сопровождается снижением динамической устойчивости процесса, то неотъемлемой частью низкоградиентного метода Чохральского является автоматический весовой контроль поперечного сечения.

Наиболее существенным недостатком метода Чохральского является значительная химическая неоднородность выращиваемых кристаллов, выражающаяся в монотонном изменении состава последовательных слоев кристалла вдоль направления роста.

Метод вертикальной направленной кристаллизации (ВНК) создан в 1924 И. В. Обреимовым и Л. В. Шубниковым. Выращивание монокристаллов осуществляется в вертикальном неподвижном трубчатом контейнере цилиндрической формы, охлаждаемом снизу струей сжатого воздуха. Для обеспечения монокристаллического роста дно контейнера выполняется в виде конуса с острой вершиной, что создает условия для конкурентного роста, когда из множества зарождающихся в самом начале процесса кристалликов «выживает лишь один, наиболее быстро растущий кристалл. Именно его кристаллографическая ориентировка определяет ориентировку выращиваемого монокристалла. Скорость перемещения вверх границы раздела фаз регулируется интенсивностью охлаждения нижней части контейнера, цилиндрическая форма которого обеспечивает постоянство поперечного сечения растущего кристалла.

В 1925 году американский исследователь П. Бриджмен внес существенные конструктивные изменения в описанный выше метод ВНК. Вместо струи сжатого воздуха используется иная система охлаждения цилиндрического контейнера с расплавом. В вертикальном варианте метода Бриджмена контейнер подвижен: по мере роста кристалла контейнер опускается вниз и постепенно выходит наружу из нагрето печи, охлаждаясь окружающим воздухом (без принудительного обдува). Помимо устранения операции обдува контейнера новый метод выгодно отличается от своего предшественника также возможностью управлять скоростью кристаллизации, которая приблизительно соответствует скорости опускания контейнера с расплавом, тогда как в предыдущем методе управление скоростью кристаллизации весьма затруднено.

Д. Стогбаргер в 1937 внес новые конструктивные изменения в процесс ВНК: В методе Стокбаргера единый спиралеобразный нагреватель электросопротивления разделен на две отдельные секции, питаемые автономно и позволяющие обеспечивать заданный температурный профиль в печи. Между этими секциями помещается специальная кольцеобразная диафрагма, предназначенная для обеспечения резкого перепада температур в зоне кристаллизации. В начальный период процесса ВНК контейнер располагается в верхней (горячей) камере и после расплавления шихты он постепенно опускается с заданной скоростью через диафрагму в нижнюю (теплую) камеру. В некоторых более поздних модификациях метода ВНК в подвижном трубчатом контейнере в процессе выращивания кристалла используется знакопеременное вращение контейнера вокруг вертикальной оси, что способствует перемешиванию расплава и улучшению гидродинамических условий процесса.

Существенные недостатки метода: невозможность непосредственного наблюдения за формой и положением фронта кристаллизации, наличие произвольной кристаллографической ориентировки выращиваемых монокристаллов. Серьезным недостатком этой группы методов выращивания является непосредственный контакт кристалла со стенками контейнера: при практически неизбежном различии коэффициентов термического расширения материалов кристалла и контейнера в кристалле могут возникать значительные внутренние напряжения. Широкое распространение метод ВНК получил благодаря простоте проведения процесса, возможности поддержания постоянного градиента температуры на фронте кристаллизации, высокой производительности. Методом ВНК в трубчатом контейнере сложно выращивать кристаллы большого диаметра (более 150-200 мм). Между тем при использовании кристаллов в качестве оптических элементов лазерных систем и в качестве других оптических элементов оптических приборов, например, для призм спектрографов, оптических элементов лазерных систем и в качестве других элементов оптических приборов, размеры этих кристаллов оказываются недостаточными.

С. Киропулос предложил в 1926 способ выращивания крупных щелочногалоидных монокристаллов, используемых в оптических приборах. В методе Киропулоса монокристаллическая затравка, закрепленная в водоохлаждаемом кристаллодержателе, приводится в контакт с расплавом, находящимся в тигле. На этой затравке происходит постепенное нарастание кристалла в форме полусферы. При этом кристалл как бы врастает в расплав. Когда разрастающийся кристалл приближается к стенке тигля, кристаллодержатель с кристаллом поднимается на несколько мм и затем продолжается дальнейший рост до очередного разрастания до стенок тигля, последующего подъема и т. д. После каждого такого подъема на боковой поверхности кристалла остаются кольцеобразные метки — следы перехода от одного уровня к другому. Таким образом, при выращивании методом Киропулоса диаметр выращиваемого кристалла ограничивается лишь размерами тигля и практически может достигать 300 см и более. Известны также модификации метода Киропулоса, в которых вместо периодического подъема кристаллодержателя с растущим кристаллом осуществляется непрерывный его подъем с постоянной скоростью. В целях снижения напряжений выращенные кристаллы подвергаются специальному послеростовому отжигу.

Метод горизонтальной направленной кристаллизации (ГНК) разработан в Институте кристаллографии АН. Благодаря своим достоинствам метод ГНК получил широкое распространение при получении тугоплавких монокристаллических материалов, применяемых не только в радиоэлектронике и электронной технике, но и в акустоэлектронике и в ювелирной промышленности. К достоинствам этого метода можно отнести его относительную техническую и технологическую простоту. Этот метод обеспечивает возможность выращивать монокристаллы большого сечения. Для данного метода выращивания характерно эффективное удаление примесей, чему способствует не только весьма высокая температура расплава, но и хорошо развитая поверхность расплава при небольшой величине отношения глубины лодочки к ее ширине — в отличие от методов Чохральского и Киропулоса. Особенностью метода ГНК является также возможность проведения многократной предростовой перекристаллизации материала, что способствует глубокой очистке кристаллизуемого вещества и позволяет значительно снизить требования к чистоте исходных шихтовых материалов. Наличие открытой поверхности расплава позволяет вводить в него активирующую примесь на любом этапе выращивания кристалла.

14.

Синтез драгоценных ювелирных и технических камней по способу М. А. Вернейля считается классическим и является первым промышленным методом выращивания кристаллов корунда, шпинели и других синтетических кристаллов. В методе Вернейля к горелке с направленным вниз соплом через внешнюю трубу подводится водород, а через внутреннюю — кислород. В ток кислорода подается измельченный порошок окиси алюминия, который при этом нагревается до определенной температуры и затем попадает в водородно-кислородное пламя гремучего газа, где расплавляется. Внизу под соплом располагается стержень из спеченного корунда, выполняющего роль кристаллодержателя. На него стекает расплавленная окись алюминия, образуя шарик расплава. Стержень кристаллодержателя постепенно опускается со скоростью 5-10 мм/ч, при этом обеспечивается постоянное нахождение расплавленной растущей части корунда в пламени. Для получения рубина к порошку окиси алюминия добавляют окись хрома, для синтеза сапфира — окись железа и титана, для синтеза александритоподобного корунда — соли ванадия. Этим же методом выращивают синтетический рутил и титанат стронция. шпинель, гранаты, ниобат лития и другие искусственные камни.

Д. Стогбаргер в 1937 внес новые конструктивные изменения в процесс ВНК: В методе Стокбаргера единый спиралеобразный нагреватель электросопротивления разделен на две отдельные секции, питаемые автономно и позволяющие обеспечивать заданный температурный профиль в печи. Между этими секциями помещается специальная кольцеобразная диафрагма, предназначенная для обеспечения резкого перепада температур в зоне кристаллизации. В начальный период процесса ВНК контейнер располагается в верхней (горячей) камере и после расплавления шихты он постепенно опускается с заданной скоростью через диафрагму в нижнюю (теплую) камеру. В некоторых более поздних модификациях метода ВНК в подвижном трубчатом контейнере в процессе выращивания кристалла используется знакопеременное вращение контейнера вокруг вертикальной оси, что способствует перемешиванию расплава и улучшению гидродинамических условий процесса.

Метод Стокбаргера – Бриджмена.

Причины и условия образования кристаллов.

Материальные частицы (атомы, молекулы, ионы), слагающие газообразные

или жидкие (расплавленные) вещества, обладая высокой кинетической

энергией, находятся в непрерывном движении. Время от времени они

сталкиваются, образуя зародыши – микроскопические фрагменты будущей

структуры. Чаще всего такие зародыши распадаются, что связано либо с

собственными колебаниями, либо с бомбардировкой их свободными

частицами. Однако для начала кристаллизации необходимо, чтобы зародыш

достиг критической величины, т.е. содержал такое количество частиц, при

котором присоединение следующей частицы сделало бы разрастание

зародыша энергетически более выгодным, чем его распад. Такая

возможность для большинства веществ проявляется либо с понижением

температуры, в результате чего уменьшаются температурные колебания,

либо с повышением концентрации вещества в растворе или газе, что

приводит к увеличению вероятности встречи частиц друг с другом, то есть к

возникновению зародышей.

Таким образом, рост кристаллов можно рассматривать как процесс,

посредством которого мельчайшие кристаллические частицы – зародыши –

достигают макроскопических размеров. Причем кристаллизация протекает не

во всем объеме, а лишь там, где возникнут зародыши. Факторами,

влияющими на появление зародышей, являются не только переохлаждение и

повышение концентрации раствора или вязкости расплава, но и присутствие

посторонних обломков кристаллов или пылинок, на поверхности которых

собираются частицы, упрощая этим начало кристаллизации.

Процесс кристаллизации является энергетически выгодным. Растущий

кристалл не принимает равновесную форму вследствие того, что на него

влияют различные изменяющиеся условия кристаллизации: температура,

давление, сила тяжести, химический состав и динамика среды и т.д.

Механизмы роста кристаллов

Существенный вклад в решение вопросов о механизме роста кристаллов

внесли разработанные теории роста идеальных кристаллов.

В конце XIX в. американским физиком Дж. Гиббсом (1839-1903),

французским физиком П. Кюри и русским кристаллографом Г.В. Вульфом на

термодинамической основе была разработана количественная теория

зарождения и роста кристаллов. Несколько позже, в 20-х гг. XX в., немецким

физиком М. Фольмером (1885-1965) была выдвинута теория

самопроизвольного зарождения кристаллов и их роста. Вслед за термодинамическим учением Гиббса в 1927 году наибольшее

признание получили теоретические работы немецкого физико-химика

В.Косселя (1888 – 1956) и болгарского физика И.Н. Странского (1897 — 1979),

положившие начало молекулярно-кинетической теории роста кристаллов.

Они рассмотрели рост идеального кристалла при незначительном

перенасыщении без учета несовершенств реальных кристаллов и влияния

среды кристаллизации. Эта теория объяснила явление послойного роста

кристаллов с позиций атомно-молекулярного состояния поверхности

растущего кристалла, опираясь на энергетическую выгодность

присоединения отдельных частиц вещества в различные позиции на

свободной от дефектов поверхности кристаллов.

В процессе роста возникают либо атомно-гладкие, либо атомно-шероховатые

грани. Атомно-гладкие грани растут путем послойного отложения вещества,

т.е. тангенциального перемещения ступеней, и остаются в процессе роста

макроскопически плоскими. Такой рост называется тангенциальным или

послойным. При этом скорость роста разных граней будет различна. В итоге

кристаллы будут расти в виде многогранника.

Кристаллы с атомно-шероховатыми гранями могут присоединять частицы с

макроскопической точки зрения практически в любой точке поверхности.

Поэтому поверхность грани в процессе роста перемещается по нормали к

самой себе в каждой своей точке. Такой рост называется нормальным. При

этом скорости роста граней кристалла в разных направлениях будут

примерно одинаковы и кристаллы приобретут округлые формы изотерм

кристаллизации. Исследование морфологии кристаллов дает информацию об

атомных процессах, происходящих на поверхности растущего кристалла.

Рост на атомно-шероховатых плоскостях и торцах ступеней требует лишь

потенциальных барьеров для встраивания отдельных атомов или молекул.

Рост же атомно-гладких поверхностей требует еще и образования ступеней,

т.е. для роста каждого нового слоя необходимо появление на поверхности

нового зародыша, а это не всегда возможно из-за недостатка пересыщения. В

этом случае рост происходит лишь путем движения уже имеющихся

ступеней. Таким образом, первый процесс с энергетической точки зрения

оказывается более выгодным.

Кроме того, грани реальных кристаллов практически никогда не бывают

идеальны. На их поверхности всегда имеются нарушения – дефекты,

благодаря которым возникают винтовые и краевые дислокации. Нарастание

граней происходит по спирали путем навивания одного слоя на другой. И

такой рост может происходить при сколько угодно малых пересыщениях и

даже из паров. Дислокации, следовательно, являются непрерывно

действующим источником возникновения слоев и снимают необходимость

появления на поверхности растущей грани двухмерных зародышей.

15.

К настоящему моменту разработаны многочисленные методы

промышленного массового получения кристаллов, а также выращивания

монокристаллов. Причины по которым выращивают монокристаллы самые

разнообразные: в промышленности используются осцилляторы,

преобразователи и фильтры, изготовленные из кристаллов кварца. Из

кристаллов кремния и германия изготавливаются полупроводниковые

устройства. Промышленная кристаллизация неметаллов – солей, окислов,

органических веществ – имеет целью:

1. Получить продукт в виде кристаллического порошка желаемой чистоты,

размера и формы отдельных зерен. При этом зерна могут быть

монокристаллическими (сахар) и поликристаллическими (удобрения).

2. Очистка веществ. Путем кристаллизации из приготовленного раствора

получают кристаллы с содержанием примеси меньшим, чем в исходном.

Многократно повторяя операцию, получаем чистое вещество.

В промышленности и исследовательских лабораториях кристаллы

выращивают из паров, растворов, расплавов, из твердой фазы и другими

способами, например, синтезируют путем химических реакций, при высоких

давлениях, осуществляют электролитическую кристаллизацию,

кристаллизацию из гелей и др. Основными методами получения

совершенных кристаллов большого диаметра являются методы выращивания

из расплава, из растворов и из паровой (газовой) фазы.

Для минералогов и кристаллографов особенный интерес представляет

получение монокристаллов синтетических аналогов различных природных

минералов, изучение кристаллизации которых помогает понять, в каких

природных условиях образуется тот или иной минерал.

Раствор-расплавный метод кристаллизации.

Раствор-расплавный метод наглядно представлен самой природой —

кристаллизацией магмы. Аналогичный масштабный фактор лежит в основе

раствор-расплавного эксперимента — чем больше объем кристаллизуемой

массы, тем больше в итоге кристаллы. К сожалению, в таких условиях

кристалл ограняется одной или двумя простыми формами, остальные же

исчезают на ранней стадии развития кристалла, унося с собой всю

кинетическую информацию. Поэтому в научном аспекте метод остается до

сих пор самым неразработанным, несмотря на универсальность: им

пользуются при синтезе многих неорганических и органических веществ,

различных минералов и драгоценных камней, включая алмаз, изумруд и др.

Кристаллизация из растворов-расплавов как самостоятельный методвыращивания кристаллов стала развиваться с конца 40-х годов XX в., когда

после открытия Вулом в 1944 г. сегнето-электрических

(сегнетоэлектричество — физическое явление, заключающееся в

возникновении спонтанной поляризации кристалла даже в отсутствие

внешнего электрического поля) свойств у титаната бария появилась

необходимость в изучении не только керамического материала, но и

монокристаллов соответствующих составов.

Наряду с сегнетоэлектрическими кристаллами началось исследование

магнитных веществ — ферритов, где также возникла потребность в

монокристаллах и где первые работы по приготовлению

высокотемпературных кристаллов проводились с использованием

высокотемпературных растворов. Наконец, в последнее десятилетие, в связи

с усилением развития работ по кристаллам для квантовых генераторов света,

проведен большой поиск и выращено много новых кристаллов, причем на

долю раствор-расплавной кристаллизации здесь падает немалая часть

разнообразных высокотемпературных соединений.

16.

Гидротермальный метод выращивания кристаллов используется для выращивания кристаллов, которые трудно или невозможно вырастить другими методами, так как наиболее близко имитирует процессы образования минералов в природе. В основе его лежит тот факт, что при высоких температурах (до 700 °С) и давлениях (до 3000 атм.) водные растворы солей способны активно растворять соединения, практически нерастворимые при нормальных условиях. Для гидротермального выращивания кристаллов используют специальные прочные стальные сосуды – автоклавы, способные выдержать такие экстремальные давления и температуры.

Наиболее распространенной является модификация гидротермального метода, называемая методом перекристаллизации в условиях положительного температурного градиента. Суть его заключается в следующем:

На дне автоклава, нагреваемого снизу и охлаждаемого сверху, размещается растворяемое вещество – шихта. Над ней расположены затравки (пластины, выпиленные по определенному направлению из кристалла выращиваемого вещества). В автоклаве создается разность температур (нижняя зона более горячая), чему способствует диафрагма – перегородка с отверстиями, разделяющая верхнюю и нижнюю зоны. Раствор циркулирует между гранулами шихты, насыщаясь веществом выращиваемого кристалла. Одновременно происходит нагревание гидротермального раствора. Горячий (и потому – более легкий) раствор поступает в верхнюю часть автоклава, где остывает.

Растворимость кристаллизуемого вещества с понижением температуры снижается, избыток растворенного вещества отлагается на затравки. Холодный высокоплотный обедненный раствор опускается в нижнюю часть автоклава и цикл повторяется. Процесс ведется до полного переноса вещества шихты на затравки. В результате этих процессов и растет кристалл. Скорость выращивания составляет от долей мм до нескольких мм в сутки. Выращиваемые монокристаллы обычно имеют высокое качество и характерную кристаллографическую огранку, т.к. растут в условиях более или менее близких к равновесным.

Этот метод является основным для синтеза кварца, так могут быть выращены изумруд, корунд, малахит и другие минералы.

Схема автоклава для гидротермального синтеза:

1 — раствор

2 — криcталл

3 — печь

4 — вещество для кристаллизации

(T1<T2).

18.

Грани разных простых форм захватывают примеси из маточного раствора в различных количествах. В результате кристалл оказывается дефектным, как бы разбитым на секторы – пирамиды роста, основанием которых служат грани кристалла, а вершинами – точка, совпадающая с началом кристаллизации. Неравномерное распределение примесей по пирамидам роста приводит к секториальному строению

Признаки, указывающие на историю развития кристалла, называются типоморфными

признаками. Если условия роста меняются периодически, то кристалл приобретает зональное строение, в основном являющееся следствием неравномерного распределения в разных слоях роста точечных дефектов. Зоны роста могут отличаться окраской, прозрачностью, наличием включений.

Схема зонального строения

кристалла

19.

Формы роста кристаллов

1) монокристаллические совершенные гранные формы(условия приближенные к идеальным: малыепересыщения, постоянный приток раствора, постоянный температурный градиент)

2) скелетные монокристальные формы

3) реберные и вершинные монокристальные формы

4) нитевидные монокристальные формы

5) дендритные поликристальные формы

6) расщепленные монокристаллы — сферолиты

2)Снежинки – пример скелетных форм кристаллов. Скелетные кристаллы развиваются в условиях быстрого роста и высокой степени пересыщения. Главной причиной образования таких форм является то, что к выступающим частям кристалла – вершинам и ребрам – подток питающего вещества более интенсивен, чем к остальным граням, которые в результате отстают в росте.

Кристалл, стремясь навстречу

питательной среде, быстро

наращивает массу ценой искажения

формы.

3) Реберные и вершинные формы. При быстром росте ребер и вершин на некоторых гранях образуются внутренние полости – в результате возникают воронкообразные кристаллы

Реберные и вершинные формы кристаллов: галита NaCl (а), пирита FeS2 (б) и меди Cu (в)

4) Нитевидные формы

Монокристаллы, сечение которых в сотни раз меньше их длины. Образуются тогда, когда с направлением наиболее интенсивных сил связи в структуре кристалла согласуется симметрия окружающей среды. Особенностью нитевидных кристаллов является их высокая прочность, во много раз превышающая прочность обычных кристаллов тех же веществ, и химическая стойкость. Причина этого – их низкая

дефектность.

Нитевидные кристаллы

рутила в кварце

5) Дендритные формы роста хлористого аммония (вверху) и окислов марганца (внизу).

Искусственные кристаллы, природные кристаллы, камни для выращивания

Природные кристаллы. ТопазПриродные кристаллы. БериллПриродные кристаллы. БериллПриродные кристаллы. МорионПриродные кристаллы. ТопазПриродные кристаллы. МорионПриродные кристаллы. Аметист

Природные кристаллы

Среди различных горных пород камни встречаются кристаллические (обычно изверженные и вулканические породы) и некристаллические (обычно осадочные). Особый интерес представляют кристаллические породы камней ( или природные кристаллы ), о которых пойдет речь.

Среди выставленных в магазинах на выставку драгоценных и полудрагоценных камней (представленных в виде природных кристаллов или камней осадочных пород) некоторые из них имеют маркировку «природный камень». Это означает, что такие камни встречаются в природе, обрабатываются и выставляются на продажу. Тогда какие другие камни без пластин? Это минералы и камни, выращенные на заводе! (или искусственных кристаллов ). Можно выращивать аметист, цитрин, мариони, которые не дадут природных минералов.Но стоимость таких минералов и камней будет намного ниже! (разумеется, это относится не ко всем искусственно выращенным минералам)

Выращивание синтетических кристаллов интересовало людей в IX веке. В первую очередь интерес вызывают драгоценные минералы: рубин и сапфир. Сейчас эти полезные ископаемые добываются по миллионам карат каждый год!

Искусственные хрустальные камни производятся из расплавов, растворов, из газа, но, конечно, для каждого минерала есть свой способ производства, свои технологические особенности.(С этой особенностью и связано такое разнообразие полезных ископаемых в природе!) Например, кристаллы кварца (горный хрусталь, аметист, морион) растут в водных растворах природных минерализаторов. Об этом свидетельствует химический состав кварца. Для выращивания искусственного хрустального камня природные условия также моделируются искусственно!

Интересный вопрос о скорости роста. Однозначного ответа нет. Скорость роста искусственных кристаллов камней зависит от условий выращивания, глубины залегания породы и давления, естественной концентрации раствора, породы породы, окружающей растущий кристалл, и многого другого.Если учесть, что в среднем случае рост минералов может происходить годами и веками, но создав искусственных условий для выращивания кристаллов камней , получили почти «космическую» скорость — скорость роста наших волос! Если описать процесс искусственного выращивания кристаллов камней, сырье (например, уродливый, разрушенный кварц) разрушается в щелочи до молекулярного состояния и затем из молекул кремнезема (SiO 2 ) получается совершенно правильный прозрачный новый кристалл.Делается это с помощью специального посевного материала. Затравка для выращивания искусственных минералов — тонкие прозрачные вытянутые в длину пластины из таких же синтетических кристаллов. При этом контролируют соответствующую температуру, давление, концентрацию раствора. Малейшее отклонение от заданных параметров и кристалл будет испорчен! Еще одним важным условием выращивания искусственных камней является разница температур внизу и вверху емкости, где они растут. При этом происходит переход молекул в раствор и поступление их в затравку.

Искусственные кристаллы аметиста

Искусственные драгоценные и полудрагоценные камни, такие как аметисты, выращенные на заводе, ничем не отличаются от своих знаменитых уральских и бразильских собратьев: ни внешне, ни по структуре.
Удивительное богатство разновидностей кристаллов, их цветов и размеров! такие украшения не часто увидишь! Лимонно-желтый цитрин, бледно-голубой и ярко-голубой перунит, сиреневый аметист, дымчатый топаз, почти черный морион, голубая бирюза, аквамариновый берилл, янтарно-коричневый, топаз, очень красиво!

Еще в древности камням приписывались самые удивительные свойства.Аметист издавна считался амулетом от пьянства, опьянения и отгонял от хозяев, имевших дурные мысли, делавших людей добрыми и разумными. Женщины особенно ценили его как средство от морщин и веснушек. В средние века аметисту дарили только фаворитов. Аметист носят люди, родившиеся в феврале.

Слава аметиста обусловлена ​​его пурпурным цветом различной толщины и окраски. Не мог понять природу цвета камня. Первое время предполагалось, что эта роспись придает камню марганец.Но воспроизвести этот цвет искусственным путем — не удалось.
Позже стало известно, что цвет аметиста (аметист — это кварц) обусловлен наличием ионов четырехвалентного железа. Эти ионы входят в решетку и замещают в ней кремний.

В ходе экспериментов было установлено, что если ионы железа займут другое положение, то получится другой цвет кристалла. Многое зависит от концентрации раствора, в котором растут искусственных кристаллов .Чем слабее концентрация примесей железа, окрашивающих кварц в коричневый цвет, тем сильнее концентрация окраска становится зеленой. Цвет можно менять и выбирать оттенки! Но технология цветного кварца не получила широкого распространения. Во-первых, соли металлов в природных минералах не «желали» растворяться в щелочах; во-вторых, растущие кристаллы «уходят» от некоторых ионов (цветных добавок). Именно поэтому во многих странах технология выращивания искусственных хрустальных камней так и не налажена.

Разработаны новые методы и известны сегодня 2 технологии. Аметисты выращивают кристаллизацией из раствора в автоклаве. Технологический цикл выращивания длится 2 месяца. Аметисты получаются бесцветными и почти ничем не отличаются от самого обычного кварца. Для проявления окраски выращенный искусственный аметист подвергают гамма- или рентгеновскому облучению (облучению подвергаются все природные породы, за счет облучения). Кстати, месторождения кристаллов природного аметиста находятся в районах, где повышенный уровень радиации.

Цена аметиста во многом зависит от цвета камня. Бледно-лиловые или светло-фиолетовые минералы обычно в десятки раз дешевле темно-фиолетовых. Минералы, выращенные в растениях, имеют темно-фиолетовый цвет.
Удивительно, но в одинаковых условиях находятся разные минералы и аметиста, и цитрина. Все зависит от ориентации пластин и от того, в каком направлении произрастает. Например, аметисту нужны параллельные грани направления пластины. Примеси химических соединений входят в кристаллическую решетку по-разному в зависимости от ориентации пластин.В конце концов, разные минералы, разный цвет! Темно-дымчатый, почти черный цвет мориона объясняется наличием в нем алюминия, кроме того, выращенные кристаллы обязательно облучены.

Очень красивый синий кварц (на единицу). Его цвет обусловлен наличием ионов кобальта. Можно получить его оттенки от бледно-голубого до ярко-синего (васильковый). Но в природе эта разновидность кварца не встречается.

Из желтого или желто-зеленого берилла после нагревания получают дивной красоты кристаллы с голубоватым или голубовато-зеленым цветом.После такой обработки камень называют аквамарином.

Выращивание монокристаллов | SpringerLink

  • Брайс, Дж. К. (1986) Процессы роста кристаллов , Блэки, Глазго. Четкое описание всех основных (и большинства второстепенных) методов, используемых для производства монокристаллов, и полезное обсуждение выбора метода.

    Google ученый

  • Elwell, D. and Scheel, HJ (1975) Рост кристаллов из высокотемпературных растворов , Academic Press, New York.Отличное место для поиска флюсов для выращивания кристаллов.

    Google ученый

  • Хазен, Р.М. (1999) Создатели бриллиантов , издательство Кембриджского университета, Кембридж. Очаровательный; это читается как роман.

    Google ученый

  • Hurle, D.T.J., Ed. (1994) Справочник по выращиванию кристаллов , Vol. 2, Массовый рост кристаллов , Северная Голландия, Амстердам.

    Google ученый

  • Журнал роста кристаллов . Международный журнал, в котором публикуются статьи, посвященные всем аспектам выращивания кристаллов, от теорий зарождения и роста до аппаратуры и контрольно-измерительных приборов.

    Google ученый

  • Лаудиза, Р.А. (1970) Рост монокристаллов , Prentice-Hall, Inc, Englewood Cliffs, NJ.Стандартный эталон для выращивания кристаллов; обобщает материалы, выращенные разными методами.

    Google ученый

  • Нассау, К. (1980) Драгоценные камни, сделанные человеком , Chilton Book Company, Рэднор, Пенсильвания. Отличный и легко читаемый отчет о методах, используемых для производства искусственных драгоценных камней. Содержит много истории и справочной информации о процессах и их изобретателях.

    Google ученый

  • Нассау, К.и Nassau, J. (1980) в Crystals: Growth, Properties, and Applications , под редакцией H.C. Фрейхардт, Springer-Verlag, Нью-Йорк.

    Google ученый

  • О’Донохью, М. (1988) Драгоценные камни , Chapman & Hall, Лондон. Обработка и свойства драгоценных камней. В главе 10 обсуждаются синтетические и искусственные камни.

    Google ученый

  • Шеел, Х.Дж. и Фукуда Т. (2004) Технология выращивания кристаллов , Wiley, Chichester. В первой главе этого текста указывается, что Чохральский использовал метод Бриджмена в своей лаборатории и что метод Cz следовало бы назвать методом Teal-Little-Dash в честь группы, которая впервые произвела большие (почти) свободные от дислокаций кристаллы Ge.

    Google ученый

  • Александров В.И., Осико В.В., Прохоров А.М., Татаринцев В.М. (1978) в Current Topics in Materials Science , Vol. 1, под редакцией Э. Калдиса, издательство North Holland Publishers, Амстердам, с. 421. Обсуждение плавки черепа.

    Google ученый

  • Банди, Ф.П., Холл, Х.Т., Стронг, Х.М., и Венторф, Р.Х. (1955) «Искусственные алмазы», ​​ Природа 176 , 51. Первое описание синтеза алмаза. Hazen (1999) указывает, что синтетические алмазы могли быть изготовлены компанией GE до этой публикации.

    Перекрёстная ссылка КАС Google ученый

  • Иванов П.А. и Челноков В.Е. (1992) «Последние разработки в монокристаллической электронике SiC», Semicond. науч. Технол. 7 , 863. Об использовании SiC для синих светодиодов.

    Перекрёстная ссылка КАС Google ученый

  • Кек, П.Х. и Голей, М.Дж.Е. (1953) «Кристаллизация кремния из плавающей жидкой зоны», Phys.Ред. 89 , 1297. Первое описание метода ФЗ.

    Перекрёстная ссылка КАС Google ученый

  • Хаттак С.П. и Шмид, Ф. (2001) «Выращивание крупнейших в мире кристаллов сапфира», J. Cryst. Рост 225 , 572.

    Перекрестная ссылка КАС Google ученый

  • Монфорте, Ф.Р., Суонекамп, Ф.В. и Ван Уитерт, Л.Г. (1961) «Радиочастотный метод вытягивания оксидных кристаллов без использования тигельного токоприемника», J. Appl. физ. 32 , 959. Первое применение процесса плавления черепа в сочетании с вытягиванием кристаллов для получения монокристаллов.

    Перекрёстная ссылка Google ученый

  • Нассау, К. и Ван Уиттерт, Л.Г. (1960) «Подготовка крупных кристаллов вольфрамата кальция, содержащих парамагнитные ионы, для применения в мазере», J.заявл. физ. 31 , 1508. Описывает первое использование процесса Cz для выращивания керамических кристаллов (CaWO 4 ).

    Перекрёстная ссылка КАС Google ученый

  • Pfann, WG (1952) «Принципы зонной плавки», Trans AIME 194 , 747. Процесс зонной очистки.

    Google ученый

  • Ремейка Дж.P. (1954) «Метод выращивания монокристаллов титаната бария», J. Am. хим. соц. 76 , 940. Выращивание BaTiO 3 путем роста флюса в Bell Labs.

    Перекрёстная ссылка КАС Google ученый

  • Шмид. F. и Viechnicki, D. (1970) «Выращивание сапфировых дисков из расплава методом градиентной печи», J. Am. Керам. соц. 53 , 528.

    Перекрестная ссылка КАС Google ученый

  • Стокбаргер, Д.C. (1936) «Производство крупных монокристаллов фторида лития», Rev. Sci. Инстр. 7 , 133. Описаны усовершенствования процесса Бриджмена.

    Перекрёстная ссылка КАС Google ученый

  • Таиров Ю.М. и Цветков В.Ф. (1978) «Исследование процессов роста слитков монокристаллов карбида кремния», J. Cryst. Рост 43 , 209; (1981) «Общие принципы выращивания монокристаллов большого размера из различных политипов карбида кремния», J.Кристалл. Рост 52 , 146. Описание метода сублимации для выращивания крупных булей.

    Перекрёстная ссылка КАС Google ученый

  • Чирок, Г.К. и Литтл, Дж. Б. (1950) «Выращивание монокристаллов германия», Phys. Ред. 78 , 647. Teal and Little of Bell Telephone Laboratories первыми получили монокристаллы Ge и Si методом Cz.

    Google ученый

  • Томашевский, П.Е. Профессор Ян Чохральский (1885–1953) . http://www.ptwk.org.pl/art2.htm.

    Google ученый

  • Vergés, M.A., Mifsud, A., and Serna, CJ (1990) «Формирование стержнеобразных микрокристаллов оксида цинка в гомогенных растворах», J. Chem. соц. Фарадей Транс. 86 , 959.Низкотемпературный рост ZnO.

    Перекрёстная ссылка Google ученый

  • Вагнер Р.С. и Эллис, У.К. (1964) «Парожидкостный механизм роста монокристаллов», Appl. физ. лат. 4 , 89; (1965) «Парожидкостный механизм роста кристаллов и его применение к кремнию», Trans. Встретил. соц. АЙМЕ 233 , 1053. Описание механизма ВЛС. Сейчас используется больше, чем Si.

    Перекрёстная ссылка КАС Google ученый

  • Ziegler, G., Lanig, P., Theis, D., and Weyrich, C. (1983) «Выращивание монокристаллов материала подложки SiC для диодов, излучающих синий свет», IEEE Transact. электр. Дев. ЭД-30 , 227. (См. Таиров и др. , 1978.)

    Google ученый

  • Специальный выпуск: Рост кристаллов из жидкой фазы

    проф.Доктор Ясунори Окано
    Электронная почта Интернет сайт
    Приглашенный редактор

    Подразделение химического машиностроения, кафедра материаловедения, Высшая школа инженерных наук, Осакский университет, Осака 560-8531, Япония
    Интересы: выращивание кристаллов; компьютерное моделирование; поток жидкости; теплопередача; массообмен

    Проф. д-р Садик Дост
    Электронная почта Интернет сайт
    Приглашенный редактор

    Лаборатория роста кристаллов, факультет машиностроения, Университет Виктории, Виктория, Британская Колумбия, Канада
    Интересы: рост кристаллов; компьютерное моделирование; поток жидкости; теплопередача; массообмен

    Уважаемые коллеги,

    Объемные монокристаллы полупроводников, оксидов, боридов, галогенидов и биоматериалов в основном выращивают из расплава или раствора, известного как жидкая фаза.При росте кристаллов из жидкой фазы транспортные структуры, развивающиеся в ростовом растворе/расплаве, такие как поток жидкости, поля температуры и концентрации, существенно влияют на качество выращенных кристаллов. Следовательно, такие транспортные структуры необходимо лучше понимать и контролировать для роста высококачественных кристаллов. В этом направлении рассматривается применение приложенных электрических и магнитных полей и вращений кристалла/тигля. Также использовались условия микрогравитации.

    Последние разработки в области численного моделирования и экспериментальных методов проливают свет на понимание взаимосвязей между транспортными структурами, развивающимися в ростовом расплаве/растворе, и качеством кристаллов. Были рассмотрены различные методы оптимизации для получения оптимальных условий роста для выращивания высококачественных кристаллов. Даже искусственный интеллект (ИИ), такой как нейронные сети, использовался для оптимизации методов выращивания и разработки новых функциональных материалов.

    Целью этого специального выпуска является публикация результатов исследований с различных точек зрения на рост объемных кристаллов из жидкой фазы. Мы поощряем представление оригинальных статей в этой области с помощью численного моделирования и/или экспериментальных подходов, включая новый дизайн процесса роста, с учетом внешних прикладных областей и новых подходов. Кроме того, приветствуются обзоры и тематические статьи. Темы для этого выпуска могут включать:

    • Явления переноса, возникающие при росте объемных кристаллов из жидкой фазы; численно-экспериментальные;
    • Изучение и контроль транспортных структур в расплаве/растворе под действием внешних полей; численно-экспериментальные;
    • Разработка и использование новых ростовых процессов и систем для выращивания объемных кристаллов.

    Проф. д-р Ясунори Окано
    Проф. д-р Садик Дост
    Приглашенный редактор

    Информация о подаче рукописей

    Рукописи должны быть представлены онлайн на сайте www.mdpi.com путем регистрации и входа на этот сайт. После регистрации нажмите здесь, чтобы перейти к форме отправки. Рукописи можно подавать до указанного срока. Все материалы, прошедшие предварительную проверку, рецензируются экспертами. Принятые статьи будут постоянно публиковаться в журнале (как только они будут приняты) и будут перечислены вместе на веб-сайте специального выпуска.Приглашаются исследовательские статьи, обзорные статьи, а также короткие сообщения. Для планируемых статей в редакцию можно отправить название и краткую аннотацию (около 100 слов) для размещения на сайте.

    Представленные рукописи не должны быть опубликованы ранее или находиться на рассмотрении для публикации в другом месте (за исключением материалов конференции). Все рукописи проходят тщательную рецензирование в рамках единого процесса слепого рецензирования. Руководство для авторов и другая необходимая информация для подачи рукописей доступны на странице Инструкции для авторов. Crystals — международный рецензируемый ежемесячный журнал с открытым доступом, издаваемый MDPI.

    Перед отправкой рукописи посетите страницу Инструкции для авторов. Плата за обработку статьи (APC) для публикации в этом журнале с открытым доступом составляет 2000 швейцарских франков (швейцарских франков). Представленные документы должны быть хорошо отформатированы и на хорошем английском языке. Авторы могут использовать MDPI Услуги редактирования на английском языке перед публикацией или во время авторских правок.

    Купить созданные в лаборатории драгоценные камни онлайн | Поддельные драгоценные камни, выращенные в лаборатории

    Мы храним не один или два, а большой выбор драгоценных камней, выращенных в лаборатории, по оптовым ценам.Хотите ли вы синий сапфир, изумруд, аметист, гранат, аквамарин или очень знаменитый рубин, мы предоставим их все. Только камни высочайшего качества, прошедшие тщательный процесс тестирования, доходят до окончательного производства. Это гарантирует, что вы получите драгоценные камни высочайшего качества и естественного вида.

    Выращенные в лаборатории драгоценные камни Преимущества:

    Реальный

    Выращенные в лаборатории драгоценные камни по внешнему виду, химическим и физическим свойствам ничем не отличаются от добытых драгоценных камней

    Повышенная чистота и улучшенное качество:

    Драгоценные камни n драгоценные камни производят бриллианты ярче, белее и лучше выглядят.Мы стремимся поставлять только высококачественные драгоценные камни, выращенные в лаборатории , поскольку мы используем самые передовые научные процессы, чтобы предлагать красивые драгоценные камни точной огранки различных цветов, форм и размеров

    Выращенные в лаборатории драгоценные камни дешевле. Все товары, которые вы видите в настоящее время на нашем сайте, доступны по лучшим ценам в Интернете. Мы гарантируем, что то, во что вы инвестируете, имеет лучшее качество, однородный цвет и блестящий вид, как и его оригинальный аналог. Ищете выращенный в лаборатории изумруд или любой другой популярный выращенный в лаборатории драгоценный камень! Посетите наш интернет-магазин прямо сейчас.Если у вас есть какие-либо вопросы, напишите нам по адресу [email protected]

    .

    Созданный в лаборатории изумруд

    Созданный в лаборатории вытянутый александрит (изменение цвета)

    Созданный в лаборатории опал

    Лаборатория создала прозрачный звездчатый рубин

    Лаборатория создала звездчатый рубин

    Созданный в лаборатории звездчатый сапфир

    Созданный в лаборатории муассанит

    Гидротермальный рубин

    Гидротермальный желтый сапфир

    Lab Created Pink # 2 (средний)

    Лаборатория создала Chatem Ruby

    Лаборатория создала Ruby# 5

    Темный рубин, созданный в лаборатории # 7

    Созданный в лаборатории гранат № 8

    Белый сапфир, созданный в лаборатории № 12

    Синий сапфир, созданный в лаборатории № 33 (светлый)

    Александрит, созданный в лаборатории № 46

    Желтый сапфир, созданный в лаборатории № 22

    Лаборатория Создана Падпараджа # 55

    Диффузионный синий сапфир

    Аквамарин, созданный в лаборатории № 104

    Лабораторная голубая шпинель № 113

    Голубой циркон, созданный в лаборатории № 120

    Лабораторный зеленый турмалин# 149

    Кубический цирконий необработанный

    Лаборатория создала грубый

    Необработанный кварц

    Введение: Кристаллы и рост кристаллов

    Вводный опрос

    ЧАС.Wenzl, Institut fuer Festkoerperforschung, Forschungszentrum Juelich
    Д-р Х. Шлих, MaTecK GmbH, Im Langenbroich 20, D-52428 Juelich, Германия

    1. Кристаллы
    2. Рост кристаллов
    3. Подготовка проб
    4. Аспекты будущего
    5. Примечания и советы для дальнейшего чтения

    1. Кристаллы

    Правильная геометрия поверхности, а также блестящий и часто красочный внешний вид сделали кристаллы минерального царства очаровательными объектами для всех.Природные кристаллы часто образовывались при относительно низких температурах путем кристаллизации из растворов, иногда в течение сотен и тысяч лет.

    В настоящее время кристаллы производятся искусственно для нужд науки, техники и ювелирного дела. Способность выращивать высококачественные кристаллы стала важным критерием конкурентоспособности наций. Специалисты по выращиванию кристаллов переместились с периферии в центр технологии материалов.

    Междисциплинарная наука о выращивании кристаллов развивалась вместе с научными журналами, конвенциями и обществами. Сформированы международные сети лабораторий по выращиванию кристаллов и центров материаловедения. Лаборатории кристаллов работают в большом количестве, чтобы удовлетворить потребности исследований и технологий в высококачественных кристаллах всех видов, изготовленных по индивидуальному заказу.

    «Новые материалы являются источником жизненной силы исследований твердого тела и технологии устройств.Вопреки тому, во что многие верят, новые материалы обычно не открывают инженеры по устройствам, теоретики твердого тела или руководители исследований; они в основном обнаруживаются кристаллохимиками, выращивающими кристаллы. Некоторые физические явления проявляются только в монокристаллах и могут быть изучены и поняты только в монокристаллах. Таким образом, специалист по выращиванию кристаллов, особенно если он развивает навыки связывания структуры, связи и других химико-физических соображений с интересующими свойствами, занимает ключевое положение в определении направления и успеха исследований твердого тела и, в конечном счете, технологии» ( Лаудиза).

    В качестве введения в центральную тему выращивания, подготовки и характеристики кристаллов мы ответим на несколько часто задаваемых вопросов:

    • Что такое кристалл?
    • Какие критерии качества применимы к кристаллам?
    • Для чего нужны кристаллы?

    Кристаллы представляют собой твердые тела, в которых элементарные строительные блоки, атомы, регулярно расположены в пространственной решетке с определенными элементами геометрической симметрии.Идеальной атомной решетки в природе не существует, да и толку от нее было бы мало. На рис. 1-1 представлены распространенные дефекты кристаллической решетки /Шиллинга/. Определенные несовершенства химического и структурного расположения атомов необходимы для полезности и ценности кристаллов.

    Вакансии, например, позволяют атомам двигаться через решетку в ходе твердофазных реакций. На рис. 1-2 показано схематическое изображение двух крайних случаев микроструктуры границы роста: атомарно-шероховатой и атомарно-плоской в ​​терминах простой кубической модели атомов.Атомно-шероховатые поверхности раздела коррелируют со многими металлическими системами, тогда как атомарно-плоские границы раздела обычно встречаются в оксидных системах и связаны с макроскопически плоскими, кристаллографически хорошо ориентированными поверхностями или гранями. Атомно-шероховатые интерфейсы обеспечивают достаточно места для присоединения атомов из расплава во время роста, что соответствует относительно небольшим движущим силам или небольшим переохлаждениям интерфейса. Атомные присоединения к плоским или граненым поверхностям более сложны и требуют более высоких движущих сил и больших переохлаждений.

    Рис. 1-1: Дефекты в кристаллических решетках

    Большинство твердых тел состоят из множества монокристаллов разной ориентации, которые слипаются на «границах зерен». Силы связи обычно слабее на границах зерен. Поэтому на этих границах легче протекают химические реакции и процессы испарения, что делает их видимыми невооруженным глазом. Обычно монокристаллы содержат не только точечные дефекты, но и протяженные дефекты, а именно дислокации и дислокационные сетки.

    Границы зерен и границы субзерен можно легко распознать при осмотре поверхности кристалла при различных направлениях освещения. На многие свойства кристаллов влияют дислокации и границы субзерен. Эти дефекты способствуют высокотемпературной ползучести и другим механическим свойствам. Они обычно окружены диффузионными полями точечных дефектов, поскольку они действуют как источники и стоки для точечных дефектов и как места зарождения выделений всех видов.Поэтому кристаллы без субзерен и даже без дислокаций необходимы для исследования твердого тела и для многих технических применений кристаллов. Наиболее радикальным методом избавления от дислокаций и дислокационных сетей является полное их устранение путем плавления и последующего выращивания кристаллов без дислокаций или с очень малой плотностью дислокаций. Хотя дислокации термодинамически нестабильны, они не могут быть полностью устранены одним лишь отжигом кристалла.

    Выращивание кристаллов с низкой плотностью дислокаций является сложной задачей, поскольку дислокации могут легко размножаться термическими напряжениями в процессе охлаждения почти совершенных кристаллов.Работа с почти идеальными пластичными кристаллами при комнатной температуре также затруднена, так как дислокационное размножение таких кристаллов может быть инициировано даже под их собственным весом и, особенно, механической или электроэрозионной обработкой.

    Рис. 1-2: Микроструктура поверхности

    Мозаичную структуру в объеме толстых кристаллов легче всего изучать с помощью высокопроникающих монохроматических гамма-лучей от дешевых нейтронно-активированных золотых и иридиевых пластинок.На рис. 1-2 показан пример. Исходные участки кристалла CuAu, проанализированного в примере, характеризуются очень узким пиком дифракции на кривой качания, что указывает на высокое «совершенство» в этой области с низкой плотностью дислокаций и отсутствием «мозаичных блоков» или границ субзерен.

    В процессе роста кристалла плотность дислокаций увеличивалась из-за несовершенства методов выращивания до тех пор, пока не образовалась сеть субзерен. На смену совершенным кристаллическим областям с кривыми качания типа «Фуджиама» пришла целая гамма «горных пиков» и, наконец, «холмистый ландшафт», соответствующий широкому спектру субзерен различной ориентации.

    В исследованиях и технике требуются многие искусственные кристаллы с химическим составом из всех частей периодической системы, обладающие высокой химической и в особых случаях даже изотопной чистотой. Грубо говоря, царство искусственных кристаллов можно разделить на три сектора.

    1. Технические кристаллы относятся к одному из двух больших секторов рынка монокристаллов. Они широко распространены, часто в скрытой форме. Мы едим кристаллы (соль, сахар), используем кристаллы в качестве часов в часах и компьютерах (кварц), для обработки и хранения информации (кремний), для переключения телевизоров (арсенид галлия), для телекоммуникаций (арсенид галлия) и для транспорта (лопасти турбин из никель-алюминиевых соединений).Огромные кристаллы соли (CaF2) используются в качестве линз УФ-излучения при субмикронном структурировании при изготовлении электронных устройств.

      Рис. 1-3: Кривые качания кристалла для дифракции гамма-лучей с энергией 410 МэВ

    2. Ювелирные изделия составляют второй по величине сектор рынка монокристаллов. Рубины Вернейля были первыми искусственными кристаллами, которые были выращены в промышленных масштабах для использования в изготовлении ювелирных изделий и в качестве подшипников в механических часах «Фалькенберг».

      Натуральные кристаллы обычно намного дороже, чем искусственные кристаллы того же вида. Их часто можно отличить только изощренными методами характеристики, не очевидными невооруженным глазом. Чрезмерно высокая стоимость некоторых природных кристаллов была огромным стимулом для опытных производителей кристаллов, чтобы скорректировать свои методы выращивания до тех пор, пока искусственные кристаллы нельзя будет отличить от природных в каждой детали их микроструктуры.

    3. Рынок исследовательских кристаллов относительно невелик, но чрезвычайно диверсифицирован.Искусственные исследовательские кристаллы высокого качества являются основой исследовательской деятельности в твердом теле. Природные кристаллы обычно недостаточно пригодны для исследовательских целей. Кристаллы также необходимы для современных приборов для рассеяния света и частиц и дифракции в качестве монохроматоров и детекторов. Для тонких пленок, катализа и электрохимических исследований требуется широкий спектр геометрически хорошо подготовленных кристаллов.

    Серьезная работа в твердом теле и материаловедении возможна только с помощью специализированных и интегрированных лабораторий по выращиванию кристаллов.На основе их профессиональных знаний о выращивании и характеристике кристаллов можно оптимизировать снабжение исследовательских групп исследовательскими кристаллами. Лаборатории по выращиванию кристаллов и компании по выращиванию кристаллов являются частью международного сообщества по выращиванию кристаллов, которое за последние несколько десятилетий превратилось в чрезвычайно плодотворную сеть. Многие члены этой сети находятся на грани уничтожения по демографическим причинам. Эта важная основа всей деятельности по исследованию твердого тела требует ухода, чтобы предотвратить ее ухудшение.

    Наконец, уместно сделать несколько замечаний о более эзотерических аспектах использования кристаллов, которые, кажется, распространяются и становятся весьма актуальными в экономическом и духовном плане. Есть учреждения, которые заявляют, что кристаллы обладают магическими свойствами, и все больше и больше людей, кажется, склонны верить, что кристаллы обладают силой излечивать болезни простым контактом и защищать от зла. Эта путаница поддерживается популярным телевизионным мультипликационным сериалом, в котором хорошие и умные персонажи используют кристаллы для фокусов.Люди всех веков верили в силы, исходящие из кристаллов. Гесиод и Овидий соотносят разные эоны с металлами разной ценности. В своем знаменитом научно-фантастическом рассказе «Машина времени» Герберт Уэллс упоминает горный хрусталь как неотъемлемую часть машины, которая используется для достижения 802 701 года в будущем.

    Тема выращивания кристаллов прошла долгий путь от алхимических усилий до промышленного производства и даже международной научной политики, что иллюстрируется выращиванием кристаллов на орбитальных космических станциях и безумными планами институтов по выращиванию кристаллов: НАСА и ЕКА обнаружили рост кристаллов в качестве оправдания. за то, что он построил пилотируемые орбитальные космические станции (Космическая лаборатория) и думает о росте кристаллов в «миллигравитации» как о чем-то значимом.Государство Австрия предлагало создать крупный европейский институт выращивания кристаллов «ЕвроКрист» для повышения промышленного и научного потенциала Европейского Союза.


    2. Рост кристаллов

    Искусственные кристаллы обычно выращивают управляемыми фазовыми превращениями из неупорядоченной «жидкой» фазы с высокой подвижностью атомов. Если сырье превратить в жидкость, газ или жидкость, достигается первозданное состояние, в котором все воспоминания о прошлом гаснут, а атомарные составляющие могут идеально смешиваться с помощью термической или принудительной конвекции.

    Процесс роста кристаллов можно инициировать, используя небольшой затравочный кристалл из того же материала, чтобы определить правильную кристаллографическую ориентацию и избежать сильного переохлаждения жидкой фазы, которое может вызвать неконтролируемое зародышеобразование. Степени свободы, которыми обладает растущий кристалл в микроскопическом и макроскопическом масштабе, должны быть максимально уменьшены за счет надлежащей конструкции системы выращивания. В большинстве случаев кристаллы выращивают в температурном градиенте с перегретой жидкостью и переохлажденным кристаллом, чтобы определить положение и геометрию границы раздела.Только небольшая область жидкости переохлаждается вблизи границы роста, чтобы обеспечить необходимую атомную движущую силу для кристаллизации. На рис. 2-1 и рис. 2-2 показаны две наиболее важные процедуры выращивания объемных кристаллов: система Бриджмена и система Чохральского.

    Рис. 2-1

    «Метод Бриджмена» основан на изобретении Таммана в Геттингене в начале века. Он использовал «метод градиентной заморозки», как его называют сейчас, при котором кристаллы можно выращивать путем направленного затвердевания в области температурного градиента печи, средняя температура которой постепенно снижается.Бриджмен добавил к этому методу Тамманна механическое движение тигля. Другие, такие как Стокбаргер, внесли важный вклад в метод Бриджмена.

    Метод Бриджмена дешев и прост, хотя ему мешает проблема тигля, мешающего процессу кристаллизации. В методе Чохральского кристалл вытягивают из расплава за счет кристаллизации верхней части мениска расплава. Растущий кристалл виден, и процесс роста можно проанализировать на месте.Механизм контроля, необходимый для правильного формирования мениска, делает метод довольно дорогим.

    Искусственный рост кристаллов означает: кристаллизацию контролируют с учетом области применения кристалла. Процесс контролируемой кристаллизации можно разделить на семь частей:

    Рис. 2-2

    1. Подавление случайного зародышеобразования в переохлажденных жидкостях для выращивания кристаллов за счет использования затравочного кристалла с минимальным переохлаждением поверхности его роста, которого недостаточно для зародышеобразования в другом месте.

    2. Формирование границы роста с использованием соответствующего температурного поля, которое перегревает жидкость и переохлаждает кристалл с правильной геометрией изотермы границы роста.

    3. Температурный градиент должен быть оптимизирован. Он должен быть достаточно большим, чтобы предотвратить фасетирование на границе раздела и естественное переохлаждение жидкости вблизи границы раздела.При малых градиентах температуры скорость роста ограничивается условиями конституционного переохлаждения. Следует избегать слишком больших температурных градиентов, так как они приводят к большим термическим напряжениям, вызывающим размножение дислокаций и образование границ зерен в горячих областях кристалла.

    4. Макроскопическая скорость кристаллизации следует за движением изотермы роста, если скорость переноса атомов на границе роста может идти в ногу с этим движением.Ограничения переноса атомов устанавливаются при скорости роста в метрах в секунду. При обычных скоростях до нескольких сантиметров в минуту скорость роста ограничена только нарушением формы плоской поверхности раздела из-за конституционного переохлаждения.

    5. Самый простой способ формирования геометрии кристалла — использование метода Бриджмена. Проблемы могут возникнуть из-за контакта тигля с тройной границей раздела фаз. Метод Чохральского позволяет избежать этой проблемы, используя рост без тигля из мениска расплава.Форма мениска определяется соотношением Гаусса-Лапласа между гидростатическим давлением, давлением газа и поверхностным натяжением из-за кривизны мениска. Изменяя перегрев жидкости, высота границы роста изменяется с соответствующими изменениями гидростатического давления.

    6. Химический состав растущего кристалла («стехиометрия») в основном определяется условиями термодинамического равновесия жидкой и кристаллической фаз.Это равновесие графически представлено фазовой диаграммой. Детальное знание фазовой диаграммы необходимо для разработки любого процесса роста.

      Неоднородности могут возникать в замкнутых системах, в которых состав флюидной и кристаллической фаз различен в микроскопическом и макроскопическом масштабах (макро- и микросегрегационные явления). Этих проблем можно избежать путем создания резервуара подачи материала с постоянным составом, что возможно с использованием двойного тигля, плавающей жидкостной зоны или методов с горячими стенками.

    7. Контроль микроструктуры является наиболее сложной задачей процесса выращивания кристаллов. Средняя концентрация и пространственное распределение точечных дефектов, агрегатов дефектов, нежелательных примесей, выделения дополнительных фаз довольно сложным образом зависят от фазовых отношений и температурно-временной истории кристалла. Часто единственным средством оптимизации микроструктуры является отжиг кристалла после выращивания.

    8. Для кристаллов одного и того же качества выращивание кристаллов может быть дешевым или дорогим, в зависимости от степени изобретательности вовлеченного производителя кристаллов.Реалистичная оценка требований к качеству, опыта и дисциплины производителя кристаллов необходима для оптимизации затрат на выращивание кристаллов. Будущее целых компаний зависит от выбора наименее затратного способа производства кристаллов для рынка. Исследовательские институты, возможно, в прошлом были менее осторожны, хотя времена чрезмерных трат на кристаллы низкого качества, особенно выращенные в орбитальных лабораториях, прошли.


    3.Подготовка проб

    Процесс пробоподготовки многогранен. Он начинается с плана построения материала, который графически представлен на фазовой диаграмме. На рис. 3-1 в качестве примера показана фазовая диаграмма системы Al-Ni. Такие диаграммы могут использовать те, у кого нет базовых знаний в области термодинамики или кто не интересуется ею. Без термодинамики правильно понять твердогазовые системы сложнее. На рис. 3-2 в качестве примера представлены различные формы фазовой диаграммы Ag-O.В настоящее время это важно для технического развития высокотемпературных сверхпроводников, а также для многих других материалов, связанных с серебром.

    Есть много компиляций фазовых диаграмм, доступных в литературе в книгах, компьютерных компиляциях и в Интернете. Их нужно использовать с осторожностью. В большинстве случаев необходимо обратиться к оригинальной публикации, чтобы получить представление о достоверности диаграммы. Рис. 3-1, например, который был опубликован известными физическими металлургами, содержит ошибки на богатой никелем стороне: Ni3Al является перитектической фазой, которая выходит из жидкой смеси при охлаждении на богатой никелем стороне эвтектики, а не — как показано на схеме — на стороне Al-rich.Кроме того, в Ni3Al происходит превращение беспорядка порядка, которое не учтено при построении диаграммы.

    Процессы изготовления образцов можно разделить на несколько взаимозависимых частей:

    Рис. 3-1: Фазовая диаграмма бинарной системы Al-Ni

    • Подготовка сырья. Производство чистых материалов, иногда изотопной чистоты. В основном этим занимаются компании, специализирующиеся на очистке.
    • Синтез поликристаллического сырья с соответствующим химическим составом.Методы холодного тигля весьма полезны для этого этапа, если нет возможности найти горячие инертные тигли.
    • Рост кристаллов
    • Обработка после выращивания, особенно обработка отжигом На рис. 3-3 представлен пример информации, необходимой для этого этапа, в виде графиков время-температура-преобразование, которые описывают кинетику твердофазных реакций.
    • Формование кристаллов механическим распиливанием, искровой или электроразрядной эрозией или химической эрозией.
    • Надлежащее использование в качестве исследовательского или строительного материала в технологии и ювелирном деле.

    На каждом этапе требуются характеристики материала и процесса. Часто этапы формования и обработка после выращивания более сложны, чем процесс выращивания кристаллов.

    Рис. 3-2: Фазовые диаграммы Ag-O

    Качество кристалла зависит от его использования. Многие пользователи кристаллов выдвигают завышенные требования к качеству, которые часто не оправданы с учетом того, как кристаллы используются в экспериментах или устройствах.Нередка и другая крайность: использование неквалифицированных образцов для сложных экспериментов.

    Оценки качества и определения качества должны быть надлежащим образом адаптированы к требованиям пользователя, чтобы избежать дорогостоящего завышения или занижения требуемого качества. Эту проблему можно решить только с помощью местных специалистов по выращиванию кристаллов. Поэтому лаборатории кристаллов незаменимы для научно-исследовательских институтов твердого тела, даже если часть образцов закупается на рынке.

    Рис. 3-3: Проекция в направлении давления для P(O2) < 1 бар

    На рынке доступно сырье достаточно высокой чистоты. Поэтому определение содержания следовых примесей обычно не составляет труда, за исключением легких примесей, таких как водород, углерод и кислород. Высокая точность не требуется. Прецизионный стехиометрический анализ большинства компонентов неоднокомпонентных кристаллов относится к наиболее сложным задачам аналитической химии, так как требует очень высокой точности.Химический анализ с высоким пространственным разрешением — задача Sisyphos.

    Рис. 3-4: Стереографическое изображение фазовых отношений Ag-O в координатах xO-T-P

    Рис. 3-5


    4. Будущие аспекты

    Тенденции к насыщению или снижению потребности в объемных кристаллах в исследованиях и технологиях не наблюдается. Многие кристаллы до сих пор не выращены, потому что еще не обнаружены надлежащие составы и зародыши. Постоянно появляются новые материалы.Двумя примерами являются высокотемпературные сверхпроводники и квазикристаллы. Большинство областей кристального мира до сих пор неизвестны даже в естественном царстве. Мир промышленных кристаллов характеризуется огромным рыночным стремлением к увеличению размера и качества и снижению стоимости. Нет никаких признаков того, что работы для лабораторий и компаний по выращиванию кристаллов заканчиваются.


    5. Примечания и советы для дальнейшего чтения

    Бом, Дж.:

    Исторические заметки, Crystal Research and Technology 16 1981 275-292
    Steno 1669: концепция элементарной ячейки
    Guglielmi 1688: Корреляция шае — химический вид.
    17. ж. «кристалл, кристаллизация»
    Кеплер: атомные модели снежных кристаллов, Abhandlung über «Nix», Haüy 1784,
    Бойль, Нептунисты (водные растворы) ссорятся с плутонистами (высокотемпературные события)
    Бойль: нематериальные силы, возникающие из кристаллов
    1900 Гиббс: пионер термодинамики
    Рост кристаллов становится индустриальным: Verneuil, Djeva, Bitterfeld: Ruby Saphire
    Тамманн Бриджман Чохральский: пионер выращивания кристаллов
    Капица: переходит к горизонтальному методу Бриджмена для кристаллов, расширяющихся при кристаллизации.
    Принципиально неверный взгляд на процесс кристаллизации в атомном масштабе Накен-Киропулос
    50-е годы: Бертон-Кабрера-Франк: спиральный рост, шероховатость дислокационных линий и поверхностей
    Хартманн-Пердок: PBC Vectors
    Чалмерс, Раттер, Тиллер, Джексон: конституциональное переохлаждение

    Бом, Дж.:

    Realstruktur von Kristallen, E Schweizerbart´sche Verlagsbuchhandlg Stuttgart 1995

    Брайс, Дж.С.:

    Процессы роста кристаллов, Блэки, Глазго, 1986. Все аспекты роста кристаллов. См. также: H. Arend и J. Hulliger, Crystal Growth in Science and Technology, eds., Plenum and NATO 1989
    .

    Кан, Роберт В. и Эрик Лифшин, редакторы:

    Краткая энциклопедия характеристик материалов, Pergamon Press, Oxford 1993

    Чалмерс, Б.:

    Принципы затвердевания, Wiley New York 1964

    Фалькенберг, Р.(1978):

    Процесс Вернейля. В: Рост кристаллов, теория и методы. Том. 2. (Эд: Гудман) Plenum Press, Нью-Йорк, 109-184. Углубленный обзор процесса Вернейля

    Фромм Э. и Гебхардт Э., Хераусгебер:

    Gase und Kohlenstoff in Metallen, Springer, Berlin 1976. Чрезвычайно ценный источник информации

    Херл, Д.Т.Дж. Редактор:

    Справочник по выращиванию кристаллов, Северная Голландия, Амстердам, 1993-1995 гг.Несколько томов, охватывающих все аспекты выращивания кристаллов. Незаменим!

    Журналы для производителей кристаллов, небольшая подборка:

    Журнал роста кристаллов
    Исследования и технологии кристаллов
    Журнал фазовых равновесий
    Zeitschrift fuerr Metallkunde

    Фазовые диаграммы и термодинамические параметры:

    Предел Б., Зона Ландольта-Бёрнштейна 5: Диаграммы состояния, кристаллографические и термодинамические свойства бинарных сплавов, Springer 1995
    Массальский, Т.Б., изд.: Бинарные фазовые диаграммы сплавов, ASM Metals Park, 1986
    TAPP: данные о термохимических и физических свойствах (через GTT) Компьютерный пакет ChemSage с SGTE — банк данных (Scientific Group Thermodata Europe), GTT Herzogenrath: http://gttserv.lth.rwth-aachen.de/~sp/tt/

    Справочник Пирсона по кристаллографическим данным для интерметаллических фаз:

    С.Вилларс и Л.Д. Калверт, ASM, Metals Park, 1985

    Джексон, К.А.:

    Кинетика роста кристаллов, в: Материаловедение и инженерия 65 1984 7-13; микроструктура затвердевания: 30 лет «конституционного переохлаждения»

    Рафф Томас:

    Die Sprache der Materialien. Anleitung zu einer Ikonologie der Werkstoffe. Kunstwissenschaftliche Studien, Band 61.Дт. Кунстверлаг Мюнхен 1994

    Рёслер, Ханс Юрген (1991):

    Lehrbuch der Mineralogie. Deutscher Verlag fuer Grundstoffindustrie, Лейпциг. 844 Сейтен. История минералогии, ценная информация для производителей кристаллов

    Шиллинг, В.:

    Fehlordnung in Kristallen, in Bergmann-Schaefer, Lehrbuch der Experimentalphysik, Band 6, herausgegeben von W.Райт де Грюйтер Берлин 1992

    Шёнхерр, Э.:

    Рост кристаллов, в кн.: Энциклопедия прикладной физики, ВЧ 1992, с.335-363 Методы исследования металлов, Р.Ф. Баншоу, изд., Уайли, Нью-Йорк, 1968. Не совсем новый, но все же полный ценной информации
    .

    Тиллер, В. А.:

    Наука о кристаллизации, Vol. 1: Микроскопические межфазные явления, Vol. 2: Макроскопические явления и образование дефектов, Кембриджский унив.Press, Cambridge, 1991. Один из пионеров науки о росте кристаллов обсуждает еще недостаточно изученную проблему образования дислокаций и роста поликристаллов, например
    .

    Вайбель, Макс:

    Edelsteine ​​und ihre Mineraleinschluesse, ABC Verlag Zuerich

    Вильке, К.-Т. и Дж. Бом:

    Kristallzuechtung, VEB Dt. Verlag der Wissenschaften, Берлин, 1988 г.Подробное обсуждение всех аспектов выращивания кристаллов, библиография!

    Рост кристаллов и равновесная структура их поверхности

    Части I и II посвящены теории роста кристаллов, части III и IV — форме (в атомном масштабе) поверхности кристалла, находящейся в равновесии с паром. В части I мы вычисляем скорость продвижения мономолекулярных ступенек (т. е. краев незавершенных мономолекулярных слоев кристалла) в зависимости от пересыщения в паре и средней концентрации перегибов в ступенях.Показано, что в большинстве случаев роста из пара скорость продвижения мономолекулярных ступеней не зависит от их кристаллографической ориентации, так что растущая замкнутая ступенька будет круговой. Мы также находим скорость продвижения для параллельных последовательностей шагов. В части II мы находим результирующую скорость роста и крутизну конусов роста или пирамид роста, когда сохранение ступеней обусловлено наличием дислокаций. Случаи, в которые вовлечено несколько или много вывихов, проанализированы довольно подробно; показано, что обычно они мало отличаются от случая одиночной дислокации.Показано, что скорость роста поверхности, содержащей дислокации, пропорциональна квадрату пересыщения при малых значениях и первой степени при высоких значениях последнего. Таким образом можно объяснить наблюдения Volmer & Schultze (1931) над скоростью роста кристаллов йода из пара. Кратко обсуждается применение тех же идей к выращиванию кристаллов из раствора. Часть III посвящена равновесной структуре ступеней, особенно статистике перегибов ступеней в зависимости от температуры, параметров энергии связи и кристаллографической ориентации.Форма и размер двумерного зародыша (т. е. «островка» нового монослоя кристалла на готовом слое) в неустойчивом равновесии с заданным пересыщением при данной температуре получается, откуда скорректированная энергия активации для двумерного зародышеобразования оценивается. При умеренно низких пересыщениях это значение настолько велико, что кристалл не имеет заметной скорости роста. Для грани кристалла, содержащей две винтовые дислокации противоположного направления, соединенные ступенькой, энергия активации еще очень велика, когда расстояние между ними меньше диаметра соответствующего критического зародыша; но для любого большего разделения он равен нулю.Часть IV рассматривает как «кооперативное явление» температурную зависимость структуры поверхности идеального кристалла , свободного от ступенек при абсолютном нуле. Показано, что такая поверхность остается практически плоской (за исключением одиночных адсорбированных молекул и вакантных участков поверхности) до тех пор, пока не будет достигнута температура перехода, при которой шероховатость поверхности очень быстро возрастает (« плавление поверхности »). Если предположить, что все молекулы на поверхности находятся на одном или другом из двух уровней, результаты Онзагера (1944) для двумерных ферромагнетиков можно применить с небольшими изменениями.Температура перехода порядка или выше температуры плавления граней кристалла с взаимодействием ближайших соседей в обоих направлениях (например, (100) граней простой кубической или (111) или (100) граней гранецентрированной кубической кристаллы). Когда взаимодействия относятся к типу вторых ближайших соседей в одном направлении (например, (110) грани ск или гцк кристаллов), температура перехода ниже и соответствует поверхностному плавлению связей вторых ближайших соседей. Ошибка, вносимая предполагаемым ограничением двумя доступными уровнями, исследуется путем обобщения метода Бете (1935) на большее количество уровней.Этот метод дает аномальный результат для двухуровневой задачи. Расчетная температура перехода существенно уменьшается при переходе от двух к трем уровням, но остается практически неизменной для больших чисел.

    Что нужно знать о созданных в лаборатории камнях

    Камни, созданные в лаборатории, химически, физически и оптически идентичны камням, добытым под землей, но они имеют меньше дефектов, меньше углеродного следа и дешевле.

    Драгоценные камни в украшениях красочны, романтичны и индивидуальны.Для каждого владельца они означают что-то свое. Для некоторых они являются символом богатства и успеха — вспомните голливудских звезд на церемониях награждения, усыпанных рубинами или изумрудами. Для других они значимы как камни рождения, символизируют их легендарную силу или просто любимы как любимый фирменный цвет.

    Тем не менее, некоторые из этих драгоценных камней более редки, их труднее достать и они довольно дороги. Вот почему созданные в лаборатории драгоценные камни доступны в качестве альтернативы.

    Наиболее дорогие и труднодоступные природные драгоценные камни в ювелирных изделиях, такие как бриллиант (белого и фантазийного цвета), сапфир (голубой и других цветов), изумруд, рубин и опал, являются любимыми камнями, созданными в лаборатории.Это не имитации драгоценных камней; драгоценные камни, созданные в лаборатории, — это настоящее дело. Они выращиваются в лаборатории, но химически, физически и оптически идентичны натуральным драгоценным камням. Имитация драгоценного камня, хотя и изготовленная искусственно, не следует природному рецепту, поэтому он полностью отличается физически, химически и оптически от природного драгоценного камня, который он копирует.

    Как они сделаны

    Минеральный состав камней, созданных в лаборатории, создается с помощью процесса, аналогичного тому, что природа делает под землей на протяжении миллионов лет, но в лаборатории за долю времени и за долю стоимости добычи.

    Обычному человеку будет трудно отличить натуральный камень от искусственно созданного. Нужен наметанный глаз, большое увеличение и другие инструменты.

    Основное отличие заключается в том, что природные драгоценные камни обычно имеют включения в процессе кристаллизации — газы и другие минералы смешиваются на стадии расплавления камня. Поскольку созданные в лаборатории камни основаны на постоянном, контролируемом процессе нанесения минералов, тепла и давления, в них обычно меньше включений.

    Таким образом, вы получаете высококачественные камни, созданные в лаборатории, и их цены значительно ниже, чем у их аналогов из натуральных драгоценных камней. Камни, созданные в лаборатории, с различными вариантами оправы, от стерлингового серебра до золота разных цветов и карат, предоставляют выбор, который Мать-природа не может дать таким же образом.

    Другие соображения

    В дополнение к тому, что редкий высококачественный драгоценный камень выглядит дешевле, многих потребителей привлекают камни, созданные в лаборатории, по другим причинам. С точки зрения экологии, камни, созданные в лаборатории, не облагают налогом природные ресурсы, как это происходит с природными драгоценными камнями — шахты не выкапываются, лаборатории используют часть коммунальных услуг и ресурсов, необходимых для добычи полезных ископаемых, и оставляют после себя меньше загрязняющих веществ.

    Созданные в лаборатории украшения из камней также отлично подходят для путешествий, когда вы хотите оставить свои очень дорогие украшения дома или когда вы хотите выглядеть так, будто у вас очень дорогие безделушки — или и то, и другое! Рядом с натуральным нет ничего, что могло бы сравниться с прекрасным камнем, созданным в лаборатории.

    Независимо от того, покупаете ли вы подарок или балуете себя, покупайте созданные в лаборатории украшения из камня у надежного ювелира, который расскажет, что это за камень и как за ним ухаживать. Точно так же, как существуют разные уровни качества натуральных драгоценных камней, то же самое касается и камней, созданных в лаборатории.Убедитесь, что вы понимаете, что вы получаете за деньги, которые вы тратите, особенно когда вы платите премию за штуку.

    Стоит изучить возможности пополнения своего ювелирного гардероба классическими стилями и ультрасовременными дизайнами с использованием потрясающих камней, созданных в лаборатории. Только вы и ваш ювелир должны знать!

    Отправить эту статью по электронной почте

    * Обязательные поля

    Пожалуйста, отредактируйте поля, указанные ниже. .

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован.