Синтетические Кристаллы

Синтетические Кристаллы в Энциклопедическом словаре:
Синтетические Кристаллы - выращивают в лабораторных или заводскихусловиях. Некоторые из них не встречаются в природе, но являютсяважнейшими техническими материалами, напр. Ge и Si в полупроводниковойэлектронике. Другие встречаются в недостаточном количестве (алмаз) или необладают нужной чистотой и размерами (рубин, кварц). Многие синтетическиекристаллы применяются в часовой, ювелирной промышленности (топаз, сапфир,аквамарин, фианиты и др.).

Определение «Синтетические Кристаллы» по БСЭ:
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 (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 (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	Методы	Средняя	Области применения
	формула	выращивания	величина
			кристаллов
Кварц	SiO2	Гидротермаль-	От 1 до 15 кг,	Пьезоэлектрические
		ный	300 Ч200Ч150 мм	преобразователи,
				ювелирные изделия,
				оптические приборы
Корунд	Al2O3	Методы Вернейля	Стержни	Приборостроение,
		и Чохральского,	диаметром 20-	часовая
		зонная плавка	40 мм, длиной до	промышленность,
			2 м, пластинки	ювелирные изделия
			200 Ч300Ч30 мм
Германий	Ge	Метод	От 100 г до 10	Полупроводниковые
		Чохральского	кг, цилиндры 200	приборы
			мм ґ 500 мм
Кремний	Si	То же	То же	То же
Галогениды	KCl, NaCl	То же	От 1 до 25 кг,	Сцинтилляторы
			100 Ч100Ч600
Сегнетова соль	KNaC4H4O6Ч4H2O	Кристаллизация из	От 1 до 40 кг,	Пьезоэлементы
		растворов
			500 Ч500Ч300 мм
Дигидрофосфат	KH2PO4	То же	От 1 до 40 кг,	То же
калия
			500 Ч500Ч300 мм
Алюмоиттрие-	Y3Al5O12	Метод	40 Ч40Ч150 мм	Лазеры, ювелирные
вый гранат		Чохральского,		изделия
		зонная плавка	30 Ч200Ч150 мм
Иттриево-же-	Y3Fe5O12	Кристаллизация из	30 Ч30Ч30 мм	Радиоакустическая
лезистый гранат		растворов-		промышленность,
		расплавов		электроника
Гадолиний-	Gd3Ga5O12	Метод	20 Ч30Ч100 мм	Подложки для
галлиевый гранат		Чохральского		магнитных плёнок
Алмаз	C	Кристаллизация	От 0,1 до 3 мм	Абразивная
		при сверхвысоких		промышленность
		давлениях
Ниобат лития	LiNbO3	Метод	10 Ч10Ч100 мм	Пьезо- и
		Чохральского		сегнетоэлементы
Нафталин	C10H8	Метод Киропулоса	Блоки в	Сцинтилляционные
			несколько кг	приборы
Бифталат калия	C8H5O4K	Кристаллизация из	40 Ч100Ч100 мм	Рентгеновские
		водных растворов		анализаторы,
				нелинейная оптика
Кальцит	CaCO3	Гидротермальный	10 Ч30Ч30 мм	Оптические приборы
Сульфид кадмия	CdS	Рост из газовой	Стержни 20 Ч20Ч	Полупроводниковые
		фазы	100 мм	приборы
Сульфид цинка	ZnS	То же	Стержни 20 Ч20Ч
			100 мм
Арсенид галлия	GaAs	Газотранспорт-	Стержни 20 Ч20Ч
		ные реакции	100 мм
Фосфид галлия	GaP	То же	То же	То же
Молибдаты	Y2(MoO4)3	Комбинирован-	10 Ч10Ч100 мм	Лазеры
редкоземельных		ный метод
элементов		Чохральского
Двуокись циркония	ZrO2	Высокочастот-	Блоки около 2 кг,	Ювелирные изделия
		ный нагрев в	столбчатые
		холодном	кристаллы 100 Ч
		контейнере	10 Ч50 мм
Двуокись гафния	HfO2	То же	То же	То же
Вольфрамат	CaWO4	То же	10 Ч10Ч100 мм	Лазеры
кальция
Алюминат иттрия	IAlO3	Метод	10 Ч10Ч100 мм	То же
		Чохральского
Алюминий (трубы	Al	Метод Степанова	Длина 10і мм,	Металлургия
разных сечений)			диаметр 3-200
			мм

Мир геометрически правильных кристаллов связан в сознании людей с миром драгоценных (См. Драгоценные и поделочные камни) 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.
Рис. 3. Синтетические кристаллы. Дигидрофосфат калия.

Рис. 4. Синтетические кристаллы. Сегнетова соль.

Рис. 5. Синтетические кристаллы. Кварц.

Рис. 6. Синтетические кристаллы. Рубин.

Рис. 7. Синтетические кристаллы. Аквамарин (на основе кварца).

Синтетические кристаллы. Кварц.

Рис. 2б. Изделия из алюмогранатов.

Рис. 1. Синтетические водорастворимые кристаллы.

Рис. 2а. Синтетические кристаллы феррогранатов.

Синтетические Каучуки    Синтетические Кристаллы    Синтетические Масла