Кристаллизация

Материал из Выращивание кристаллов
Перейти к: навигация, поиск

Основная статья: Кристаллизация.

Кристаллизация - процесс перехода вещества в кристаллическое состояние. Обычно под этим подразумевается образование кристаллов из растворов, расплавов, газов, аморфных веществ и нестабильных кристаллических структур.

Требования к исходной системе

Переход системы частиц в четкую периодическую структуру возможен только в том случае, если:

  • Конечное кристаллическое состояние обладает меньшей энергией, чем исходное некристаллическое
  • Текущая система обладает достаточной энергией для преодоления энергетических "скачков" при переходе между различными кристаллическими состояниями

Когда оба условия выше выполнены, начинается процесс кристаллизации.
К примеру, для расплава любого вещества первое условие достигается охлаждением до температуры кристаллизации, для перехода из ромбической серы в моноклинную второе условие достигается нагревом до точки перехода.

Образование затравки

Рассмотрим массив хаотически движущихся частиц (расплав, раствор и т.п.), охлажденных до температуры кристаллизации и ниже.

Из-за огромного их количества (к примеру, в 12 граммах углерода находится около 6,02 · 1023 (!) атомов) в любой момент времени можно найти группы находящихся рядом частиц, выстроившихся в правильную для этого вещества кристаллическую решетку. Такой набор имеет меньшую энергию, чем окружающие его частицы, но обычно нестабилен, так как столкновения с более горячими частицами приводят к его деформации или разрушению. Однако, при достижении им определенного размера, называемого критическим, эффект от столкновения с такой частицей становится близок к нулю - вся ее энергия легко поглощается решеткой. В свою очередь, потерявшая скорость частица добавляется в решетку как еще один узел, ведь это состояние для нее энергетически выгодно.

Этот набирающий размеры правильный "осколок" решетки называется затравкой или затравочным кристаллом, а процесс ее образования - нуклеацией.

Зачастую затравки образуются на различных дефектах поверхностей и крупных примесях, поскольку образованные на них дефектные решетки обладают большей энергией, а значит захватятся частицы, потерявшие скорость на совсем уж незначительную величину. Также процессу нуклеации способствуют механические колебания среды (звук, удары) - они кратковременно уменьшают расстояния между частицами, позволяя им выстроиться в затравочный кристалл.

При отсутствии дефектов и возмущений кристаллизация может не начинаться очень долго даже после прохождения всем веществом точки кристаллизации и охлаждением до более низких температур. Такие переохлажденные или пересыщенные состояния нестабильны, вещество может начать лавинообразно кристаллизоваться при малейшей деформации емкости или колебаниях.

Рост кристалла

Вместе с охлаждением расплава стремительно увеличивается число потерявших скорость частиц, они все больше стремятся выстроиться в кристалл.

После появления в растворе затравки (не имеет значения, образовалась она самостоятельно или же была внесена извне), осаждение остывших частиц начинает происходить в основном на ней, изредка образовывая дополнительные мелкие затравки на дефектах ее структуры.

Дендриты меди
Поликристалл поваренной соли

В зависимости от скорости роста, направление роста затравки может отличаться.

Если она ниже некоторого предела, то новые частицы будут успевать встраиваться в узлы решетки и образовывать правильную структуру, придавая затравке форму многогранника. Это так называемый тангенциальный или нормальный рост кристалла, именно при такой скорости осаждения выращивают монокристаллы с большой прозрачностью, малым количеством дефектов и правильностью формы.

Если же кристаллизация идет слишком быстро, частицы начнут в основном образовывать новые затравки, комкуясь во все более крупные и неровные образования.

Когда рост идет только с одного направления, то эти образования приобретают вид веточек. Их называют дендритами, они являются поликристаллическими телами с довольно крупными затравками, соединенными в одном направлении.

Если же рост идет во всех направлениях, то образования представляют собой бесформенные комки, состоящие из затравок различного размера. Это так называемый скелетный рост, а получившееся образование представляет собой типичный поликристалл с большим количеством дефектов и включений примесей.

Факторы роста

Скорость оседания частиц на затравке, а значит и скорость кристаллизации сложным образом зависят от множества таких факторов как:

  • Концентрация частиц
  • Наличие затравок
  • Скорость охлаждения вещества
  • Скорость испарения растворителя (для выращивания из раствора)
  • Наличие конвекционных потоков
  • Перемешивание вещества или перемещение затравки
  • Наличие сильных магнитных и электрических полей, вызывающих пространственное ориентирование и движение частиц

Перекристаллизация

Основная статья: Методы очистки веществ.

Перекристаллизация - процедура химической очистки вещества путем многократного проведения его кристаллизации.

Вещества во время кристаллизации могут захватывать различные примеси, как растворимые, так и нерастворимые, но в очень малых количествах по отношению к массе всего вещества - гораздо меньших, чем достигается при очистке многими химическими методами.
Благодаря этому свойству, кристаллизация вещества и использование его кристаллов как источник вещества для следующей стадии кристаллизации приводит его к значительной очистке от примесей - при медленном росте монокристаллов проведение двух-трех перекристаллизаций может снизить количество даже растворимых примесей до 10-5%!

К минусам данного метода относят большие потери вещества и высокие требования к скорости кристаллизации.

Рекомендуемые материалы

Навигация