МОНОКРИСТАЛЛ И ЕГО СВОЙСТВА

Монокристалл – это кристалл, имеющий непрерывную кристаллическую решетку и характеризующийся анизотропией своих свойств. Внешняя форма монокристалла определяется его атомно-кристаллической структурой и условиями кристаллизации. Монокристалл часто приобретает четко выраженную естественную огранку. В неравновесных условиях кристаллизации огранка слабо проявляется. Монокристаллы кварца, соли, исландского шпата, алмаза и топаза являются примерами ограненных природных монокристаллов. Поликристаллы и поликристаллические агрегаты, состоящие из множества небольших монокристаллов различной ориентации, отличаются от монокристаллов [1, c. 25].

В кристаллических твердых телах атомы или молекулы укладываются особым образом, образуя трехмерный рисунок, который может быть получен путем трехмерного повторения определенной структуры элемента, называемой элементарной ячейкой. Когда периодичность узора распространяется на определенный кусок материала, говорят о монокристалле. Монокристалл образуется в результате роста кристаллического ядра без вторичного зародышеобразования или столкновения с другими кристаллами.

При выращивании из расплава монокристаллы обычно принимают форму контейнера. Кристаллы, выращенные из раствора (газ, жидкость или твердое вещество), часто имеют четко определенную форму, которая отражает симметрию элементарной ячейки. В идеале, монокристаллы не имеют внутренних границ.

Процесс роста характеризуется ограничениями и турбулентностью, а также динамическим взаимодействием между кристаллом и его окружающей средой. Процесс отражается в структурах, образованных в виде скопления атомов, которые собраны в относительно неподвижные системы за счет выделения энергии. Эту энергию назвали теплотой кристаллизации. Получающиеся кристаллические решетки напоминают мозаику из слегка смещенных смежных областей.

Многие типы монокристаллов демонстрируют анизотропию, то есть изменение некоторых их физических свойств в соответствии с направлением, в котором они измеряются. Например, удельное электрическое сопротивление случайно ориентированного скопления кристаллитов графита одинаково во всех направлениях. Эта анизотропия существует как для структурно-чувствительных свойств, на которые сильно влияют дефекты кристаллов (таких как расщепление и скорость роста кристаллов), так и для структурно-нечувствительных свойств, на которые не влияют дефекты, например, коэффициенты упругости [2, c. 55].

Структурно-чувствительные свойства кристаллов (например, коэффициенты прочности и диффузии), по-видимому, определяются внутренними дефектами, часто в атомном масштабе.

Предполагается, что каждый из смещенных блоков в пространстве мозаики монокристалла поддерживает периодичность решетки внутри него. Это предположение подтверждается наблюдаемыми резкими дифракционными картинами. Есть некоторые «неправильные» атомы, свободные узлы решетки, захваченные атомы газа и другие. Атомы покачиваются, одновременно вибрируя совместно и синхронно в сложных внутренних режимах движения. Происходят сложные схемы обмена электронами, и для атома с магнитным моментом могут происходить систематические изменения ориентации спина. Подобные детали важны для понимания взаимосвязей и определением структуры на атомном и молекулярном уровнях, которое определяет объемные свойства и функции монокристалла [3, c. 103].

Монокристаллы ценны как материалы, которые имеют специальные физические свойства. Например, алмаз и боразон чрезвычайно твердые, флюорит прозрачен для широкого диапазона длин волн, а кварц является пьезоэлектрическим. Монокристаллы способны изменять свои свойства под воздействием внешних факторов (света, механических напряжений, электрических и магнитных полей, излучения, температуры или давления). Поэтому изделия и компоненты, изготовленные из них, используются в качестве различных типов трансформаторов в радиоэлектронике, квантовой электронике, акустике и компьютерных технологиях. Первоначально природные монокристаллы использовались в технике, но запасы таких кристаллов ограничены, а качество не всегда достаточно высокое. В то же время многие ценные свойства были обнаружены только в синтетических кристаллах. Поэтому возникла необходимость выращивания кристаллов искусственно. Исходным веществом для роста монокристаллов может быть твердое вещество (в частности, порошок), жидкость (расплав или раствор) или газ.

Монокристаллы играют важную роль в различных исследованиях. Детальное изучение кристаллической структуры материала с помощью таких методов, как дифракция Брэгга и рассеяние атомов гелия, намного проще с монокристаллами. Кроме того, такие методы, как сканирующая туннельная микроскопия, возможны только на поверхностях монокристаллов.

Список литературы:

1. Шубников, А.В. Образование кристаллов / А.В. Шубников. – М.-Л.: Издательство академии наук СССР, 1947. – 74 с.
2. Лодиз Р. Рост монокристаллов / Р. Лодиз, Р. Паркер. – М.: Мир, 1974. – 540 с.
3. Маллин, Дж. У. Кристаллизация / Дж. У. Маллин. – М.: Металлургия, 1965. – 154 с.