Значение СИНТЕТИЧЕСКИЕ КРИСТАЛЛЫ в Большой советской энциклопедии, БСЭ

СИНТЕТИЧЕСКИЕ КРИСТАЛЛЫ

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 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 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

Метод Чохральского

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

Полупроводниковые приборы

Кремний

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

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

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

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)

Метод Степанова

Длина 103 мм, диаметр 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 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.

Большая советская энциклопедия, БСЭ. 2012