Синтетические кристаллы

Синтети́ческие кристаллы

Кристаллы, выращенные искусственно в лабораторных или заводских условиях. Из общего числа С. к. около 10⁴ относятся к неорганическим веществам. Некоторые из них не встречаются в природе. Однако первое место занимают органические 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 несколько сотен, из которых для практического применения существенное значение имеют только 20—30 (см. табл.). Объясняется это сложностью процессов кристаллизации (См. Кристаллизация) и техническими трудностями, связанными с необходимостью точного соблюдения режима выращивания Монокристаллов.

Первые попытки синтеза кристаллов, относящиеся к 16—17 вв., состояли в перекристаллизации воднорастворимых кристаллических 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 начале 20 в. синтезом кристаллов занимались Е. С. Федоров (См. Фёдоров) и Г. В. Вульф, которые 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, 3, 4] и из расплавов (однокомпонентных и многокомпонентных систем), под его руководством была создана первая фабрика С. к.

С. к. кварца получают в гидротермальных условиях. Маленькие «затравочные» кристаллы различных кристаллографических 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 несколько лет (рис. 5, 6).

Наиболее распространённые синтетические кристаллы

Название	Химическая формула	Методы выращивания	Средняя величина кристаллов	Области применения
Кварц	SiO₂	Гидротермаль- ный	От 1 до 15 кг, 300×200×150 мм	Пьезоэлектрические преобразователи, ювелирные изделия, оптические приборы
Корунд	Al₂O₃	Методы Вернейля и Чохральского, зонная плавка	Стержни диаметром 20— 40 мм, длиной до 2 м, пластинки 200×300×30 мм	Приборостроение, часовая промышленность, ювелирные изделия
Германий	Ge	Метод Чохральского	От 100 г до 10 кг, цилиндры 200 мм ´ 500 мм	Полупроводниковые приборы
Кремний	Si	То же	То же	То же
Галогениды	KCl, NaCl	То же	От 1 до 25 кг, 100×100×600	Сцинтилляторы
Сегнетова соль	KNaC₄H₄O₆×4H₂O	Кристаллизация из растворов	От 1 до 40 кг, 500×500×300 мм	Пьезоэлементы
Дигидрофосфат калия	KH₂PO₄	То же	От 1 до 40 кг, 500×500×300 мм	То же
Алюмоиттрие- вый гранат	Y₃Al₅O₁₂	Метод Чохральского, зонная плавка	40×40×150 мм 30×200×150 мм	Лазеры, ювелирные изделия
Иттриево-же- лезистый гранат	Y₃Fe₅O₁₂	Кристаллизация из растворов- расплавов	30×30×30 мм	Радиоакустическая промышленность, электроника
Гадолиний- галлиевый гранат	Gd₃Ga₅O₁₂	Метод Чохральского	20×30×100 мм	Подложки для магнитных плёнок
Алмаз	C	Кристаллизация при сверхвысоких давлениях	От 0,1 до 3 мм	Абразивная промышленность
Ниобат лития	LiNbO₃	Метод Чохральского	10×10×100 мм	Пьезо- и сегнетоэлементы
Нафталин	C₁₀H₈	Метод Киропулоса	Блоки в несколько кг	Сцинтилляционные приборы
Бифталат калия	C₈H₅O₄K	Кристаллизация из водных растворов	40×100×100 мм	Рентгеновские анализаторы, нелинейная оптика
Кальцит	CaCO₃	Гидротермальный	10×30×30 мм	Оптические приборы
Сульфид кадмия	CdS	Рост из газовой фазы	Стержни 20×20× 100 мм	Полупроводниковые приборы
Сульфид цинка	ZnS	То же	Стержни 20×20× 100 мм
Арсенид галлия	GaAs	Газотранспорт- ные реакции	Стержни 20×20× 100 мм
Фосфид галлия	GaP	То же	То же	То же
Молибдаты редкоземельных элементов	Y₂(MoO₄)₃	Комбинирован- ный метод Чохральского	10×10×100 мм	Лазеры
Двуокись циркония	ZrO₂	Высокочастот- ный нагрев в холодном контейнере	Блоки около 2 кг, столбчатые кристаллы 100× 10×50 мм	Ювелирные изделия
Двуокись гафния	HfO₂	То же	То же	То же
Вольфрамат кальция	CaWO₄	То же	10×10×100 мм	Лазеры
Алюминат иттрия	IAlO₃	Метод Чохральского	10×10×100 мм	То же
Алюминий (трубы разных сечений)	Al	Метод Степанова	Длина 10³ мм, диаметр 3—200 мм	Металлургия

Мир геометрически правильных кристаллов связан в сознании людей с миром драгоценных (См. Драгоценные и поделочные камни) и поделочных камней (См. Поделочные камни). 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 темно-малинового цвета. Позже (в конце 19 в.) французский учёный Вернейль изобрёл специальный аппарат для получения С. к. рубина, который в дальнейшем был усовершенствован. Порошок Al₂O₃ с добавкой нескольких % Cr2O3 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, которые позволяют получать С. к. рубина в виде стержней диаметром от 20 до 40 мм и Длина до 2 м — для Лазеров, нитеводителей, а также для стекол космических приборов. Большую долю С. к. рубина потребляет часовая промышленность, но основным потребителем синтетического рубина является ювелирная промышленность. Добавка к Al₂O₃ примесей солей Ti, Со, Ni и других позволяет получить С. к. различной окраски, имитирующие окраску Сапфиров, Топазов, Аквамаринов (рис. 7, 8) и других 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, которые затем нагреваются до температуры 2000—3000 °С 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 промышленность для нужд главным образом буровой техники. С. к. алмазов, конкурирующие с природными ювелирными образцами, пока получены в небольших количествах.

Начиная с 50-х гг. развивается промышленность органических С. к. — Нафталина, Стильбена, толана, Антрацена и др., применяющихся в сцинтилляционных устройствах (см., например, 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 Длина 30—50 см.

В лабораторных условиях из растворов расплавов выращивают С. к. феррогранатов и Изумрудов. Однако промышленного развития эти методы ещё не получили. Развиваются исследования, связанные с промышленным выпуском синтетических драгоценных камней на основе алюмоиттриевых гранатов (гранатиты) (рис. 2а, 2б) и двуокисей циркония и гафния (фианиты). Это — С. к. с окраски, имитирующие изумруды, топазы и алмазы за счёт большого широкой гаммой преломления света.

Лит.: Федоров Е. С., Процесс кристаллизации, «Природа», 1915, декабрь; Вульф 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; Мильвидский М. Г., Освенский В. Б., Получение совершенных монокристаллов полупроводников при кристаллизации из расплава, там же, ч. 2, с. 50; Багдасаров Х. С., Проблемы синтеза крупных тугоплавких оптических монокристаллов, там же, ч. 2, с. 6; Тимофеева 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., Генделев С. Ш., Монокристаллы ферритов в радиоэлектронике, М., 1975.

В. А. Тимофеева.

Синтетические кристаллы