СИНТЕТИЧЕСКИЕ КРИСТАЛЛЫ

СИНТЕТИЧЕСКИЕ КРИСТАЛЛЫ, кристаллы, выращенные искусственно в лабораторных или заводских условиях. Из общего числа С. к. ок. 10⁴ относятся к неорганич. веществам. Нек-рые из них не встречаются в природе. Однако первое место занимают органич. С. к., насчитывающие сотни тысяч разнообразных составов и вообще не встречающиеся в природе. С другой стороны, из 3000 кристаллов, составляющих многообразие природных минералов, искусственно удаётся выращивать только неск. сотен, из к-рых для практич. применения существенное значение имеют только 20 -30 (см. табл.). Объясняется это сложностью процессов кристаллизации и технич. трудностями, связанными с необходимостью точного соблюдения режима выращивания монокристаллов.

Первые попытки синтеза кристаллов, относящиеся к 16-17 вв., состояли в перекристаллизации воднорастворимых кристаллич. веществ, встречающихся в виде кристаллов в природе (сульфаты, галогениды).

После расшифровки состава природных минералов появились попытки синтеза минералов из порошков с использованием техники обжига. Этим методом были получены мелкие С. к. В нач. 20 в. синтезом кристаллов занимались Е. С. Фёдоров и Г. В. Вулъф, к-рые исследовали условия кристаллизации воднорастворимых соединений и усовершенствовали аппаратуру. В дальнейшем А. В. Шубников разработал общие принципы образования кристаллов из водных растворов [сегнетова соль, дигидрофосфат калия и др., см. рис. 1, а также рис. 1, 2 на вклейке, табл. XVII (стр. 432-433)] и из расплавов (однокомпонентных и многокомпонентных систем), под его руководством была создана первая фабрика С. к.

Рис. 1. Синтетические водорастворимые кристаллы.

С. к. кварца получают в гидротермальных условиях. Маленькие "затравочные" кристаллы различных кристаллографич. направлений вырезаются из природных кристаллов кварца. Хотя кварц широко распространён в природе, однако его природные запасы не покрывают нужд техники, кроме того, природный кварц содержит много примесей. С. к. кварца массой до 15 кг выращивают в автоклавах в течение многих месяцев, а особо чистые кристаллы (оптический кварц) растут неск. лет (рис. 3, 4 на вклейке).

Наиболее распространённые синтетические кристаллы

Название

Химическая формула

Методы выращивания

Средняя величина кристаллов

Области применения

Кварц

SiO₂

Гидротермальныц

От 1 до 15 кг, 300X200X150 мм

Пьезоэлектрич. преобразователи, ювелирные изделия, оптич. приборы

Корунд

А1₂0з

Методы Вернейля и Чохральского, зонная плавка

Стержни диам. 20-40 мм, дл. до 2 м, пластинки 200X300X30 мм

Приборостроение, часовая пром-сть, ювелирные изделия

Германий

Ge

Метод Чохральч ского

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

Полупроводниковые приборы

Кремний

Si

То же

"

То же

Галогениды

КС1, NaCl

"

От 1 до 25 кг, 100X100X600 мм

Сцинтилляторы

Сегнетова соль

KNaC₄H₄O6 х 4H₂O

Кристаллизация из растворов

От 1 до 40 кг, 500X500X300 мм

Пьезоэлементы

Дигидрофосфат калия

KH₂PO₄

То же

От 1 до 40 кг, 500X500X300 мм

"

Алюмоиттриевый гранат

Y₃Al₅O₁₂

Метод Чохральского, зонная плавка

40X40X150 мм 30X200X150 мм

Лазеры, ювелирные изделия

Иттриево-железистый гранат

Y₃Fe₅0₁₂

Кристаллизация из растворов-расплавов

30X30X30 мм

Радиоакустическая пром-сть, электроника

Гадолиний-галлиевый гранат

Gd₃Ga₅O₁₂

Метод Чохральского

20X30X100 мм

Подложки для магнитных плёнок

Алмаз

С

Кристаллизация при сверхвысоких давлениях

От 0,1 до 3 мм

Абразивная пром-сть

Ниобат лития

LiNbO₃

Метод Чохральского

10X10X100 мм

Пьезо- и сегнетоэлементы

Нафталин

C₁₀H₈

Метод Киропулоса

Блоки в неск. кг

Сцинтнлляционные приборы

Би фталат

калия

C₈H₅O₄K

Кристаллизация из водных растворов

40X100X100 мм

Рентгеновские анализаторы, нелинейная оптика

Кальцит

СаСОз

Гидротермальный

10X30X30 мм

Оптич. приборы

Сульфид кадмия

CdS

Рост из газовой фазы

Стержни 20X20X100 мм

Полупроводниковые приборы

Сульфид цинка

ZnS

То же

Стержни 20X20X100 мм

То же

Арсенид галлия

GaAs

Газотранспортные реакции

Стержни 20X20X100 мм

"

Фосфид галлия

GaP

То же

"

"

Молибдаты редкоземельных элементов

Y₂ (MoO₄)₃

Комбинированный метод Чохральского

10X10X100 мм

Лазеры

Двуокись циркония

ZrO₂

Высокочастотный нагрев в холодном контейнере

Блоки ок. 2 кг, столбчатые кристаллы 100X10X50 мм

Ювелирные изделия

Двуокись гафния

Hf0₂

То же

"

"

Вольфрамат кальция

CaWO₂

‘‘

10X10X100 мм

Лазеры

Алюминатиттрия

IA10₃

Метод Чохральского

10X10X100 мм

>

Алюминий (трубы разных сечений)

Al

Метод Степанова

дл. 10³ мм, диам. 3-200 мм

Металлургия

Мир геометрически правильных кристаллов связан в сознании людей с миром драгоценных и поделочных камней. Поэтому усилия многих учёных были направлены на синтез алмаза, рубина, аквамарина, сапфира и др. В начале века были получены С. к. рубина из растворов в расплавах поташа и соды в виде кристалликов тёмно-малинового цвета. Позже (в кон. 19 в.) франц. учёный Вернейль изобрёл спец. аппарат для получения С. к. рубина, к-рый в дальнейшем был усовершенствован. Порошок А1₂О_з с добавкой неск. % Сr₂Оз непрерывно поступает в зону печи, где происходит горение водорода в кислороде. Капли расплавленной массы попадают затем на более холодный участок затравки и тотчас же кристаллизуются. В СССР работают аппараты системы С. К. Попова, к-рые позволяют получать С. к. рубина в виде стержней диаметром от 20 до 40 мм и дл. до 2 м - для лазеров, нитеводителей, а также для стёкол космич. приборов. Большую долю С. к. рубина потребляет часовая пром-сть, но основным потребителем синтетич. рубина является ювелирная пром-еть. Добавка к А1₂О₃ примесей солей Ti, Co, Ni и др. позволяет получить С. к. различной окраски, имитирующие окраску сапфиров, топазов, аквамаринов (рис. 5, 6 на вклейке) и др. природных драгоценных камней.

С. к. алмаза были получены в 50-х гг. из порошка графита, смешанного с Ni. Смесь прессуется в виде небольших (2 -3 см) дисков, к-рые затем нагреваются до темп-ры 2000-3000 ⁰С при давлении в 100-200 тыс. am. В этих условиях графит превращается в алмаз. Величина С. к. алмаза порядка десятых долей мм. В особых условиях удаётся получить С. к. алмаза до 2-3 мм. В СССР создана алмазная пром-сть для нужд гл. обр. буровой техники. С. к. алмазов, конкурирующие с природными ювелирными образцами, пока получены в небольших количествах.

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

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

Рис. 2. Вверху - синтетические кристаллы феррогранатов; внизу - изделия из алюмогранатов.

Лит.: Федоров Е. С., Процесс кристаллизации, "Природа", 1915, декабрь; В у л ь ф Г. В., Кристаллы, их образование, вид и строение, М., 1917; Шубников А. В., Как растут кристаллы, М.- Л., 1935; Аншелес О. М., Татарский В. Б., Штернберг А. А., Скоростное выращивание однородных кристаллов из растворов, [Л.], 1945; Попов С. К.. Новый производственный метод выращивания кристаллов корунда, "Изв. АН СССР. Серия физическая", 1946, т. 10. № 5-6; Штернберг А. А., Кристаллы в природе и технике, М., 1961; Условия роста и реальная структура кварца, в кн.: IV Всесоюзное совещание по росту кристаллов, Ер., 1972, ч. 2, с. 186; МильвидскийМ. Г., Освенский В. Б., Получение совершенных монокристаллов полупроводников при кристаллизации из расплава, там же, ч. 2, с. 50; Б а г д а с а р о в X. С., Проблемы синтеза крупных тугоплавких оптических монокристаллов, там же, ч. 2, с. 6; Т и м о ф е е в а В. А., Дохновский И. Б., Выращивание иттриево-железистых гранатов из растворов -расплавов на точечных затравках в динамическом режиме, "Кристаллография!", 1971, т. 16, в. 3, с. 616; Яковлев Ю. М., Г е н-делев С. III., Монокристаллы ферритов в радиоэлектронике, М., 1975.

В. А. Тимофеева.