«Кристаллы»

Для массового производства компонентов электронной техники весьма важным является повторяемость свойств исходных кристаллических материалов, а все природные кристаллы сугубо индивидуальны. Можно утверждать, что двух абсолютно одинаковых природных кристаллов просто не существует. Но, с другой стороны, созданные за миллионы лет природой кристаллические вещества настолько разнообразны по своим свойствам за счет комбинаций примесей и дефектов структуры, что повторить их в эксперименте просто невозможно. Созданная природой физическая реальность в виде кристаллов таит в себе неимоверное материаловедческое богатство.

Нельзя обойти вниманием полупроводниковые кристаллы, из которых наиболее известны кремний и германий. В Периодической системе элементов Д.И. Менделеева они находятся в IV группе, там же, где углерод. Так вот, кремний и германий имеют кристаллическую решетку в точности такую, как у алмаза. Она так и называется "решетка алмаза". Для современной техники, однако, полупроводниковые элементы куда важнее алмазов. Полупроводниковый прибор — пластинка Ge или Si с системой электродов — может иметь размеры в доли миллиметра, а расстояние между электродами иногда бывает меньше I мкм. Они почти вытеснили электронные лампы. Это привело к снижению размеров и веса электронной и радиоаппаратуры, к снижению энергопотребления. Вся современная техника пошла по такому пути. Именно это привело к распространению компьютеров, к улучшению связи, к появлению ее космических видов и началу эры информационных технологий.

Особенно эффектно использование кристаллов в оптике. Здесь сразу же вспоминается лазер на кристалле рубина. Рубин (оксид алюминия с примесью хрома) — известный в природе драгоценный камень. Но то, что хорошо для драгоценных ювелирных камней, совсем не годится для лазерной техники. Поэтому пришлось наладить искусственное выращивание кристаллов рубина и изготовление из них стержней для лазеров, генерирующих красный свет с длиной волны 694,3 нм. От природных кристаллов лазерные отличаются более высоким совершенством и равномерным распределением примеси хрома.

Синтетические 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. Объясняется это сложностью процессов кристаллизации и техническими трудностями, связанными с необходимостью точного соблюдения режима выращивания монокристаллов. [11, 198с.]

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 синтетические кристалллы. 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 и из расплавов (однокомпонентных и многокомпонентных систем), под его руководством была создана первая фабрика синтетиических кристаллов.

Сиинтетические кристалы 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. Сиинтетические кристалы кварца массой до 15 кг выращивают в автоклавах в течение многих месяцев, а особо чистые кристаллы (оптический кварц) растут несколько лет.

Таблица 1. Наиболее распространённые синтетические кристаллы

Название Химическая формула Методы выращивания Средняя величина кристаллов Области применения

Кварц S2 Гидротермальный 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.