Монокристаллы - это... Понятие, свойства и примеры монокристаллов

Кристаллы - твердые тела, имеющие правильную геометрическую форму. Структура, внутри которой расположены упорядоченные частицы, называется кристаллической решеткой. Точки расположения частиц, в которых они совершают колебания, называются узлами кристаллической решетки. Все эти тела разделяют на монокристаллы и поликристаллы.

Что такое монокристаллы

Монокристаллы - это одиночные кристаллы, у которых кристаллическая решетка имеет четкий порядок. Часто монокристалл имеют правильную форму, но этот признак не является обязательным при определении типа кристалла. Большинство минералов являются монокристаллами.

Внешняя форма зависит от скорости роста вещества. При медленном увеличении и однородности материала, кристаллы имеют правильную огранку. При средней скорости огранка неярко выражена. При высокой скорости кристаллизации вырастают поликристаллы, состоящие из множества монокристаллов.

Классическими примерами монокристаллов являются алмаз, кварц, топаз. В электронике особое значение имеют монокристаллы, обладающие свойствами полупроводников и диэлектриков. Сплавы монокристаллов отличаются повышенной твердостью. Сверхчистые монокристаллы имеют одинаковые свойства независимо от происхождения. Химический состав минералов зависит от скорости выращивания. Чем медленнее растет кристалл, тем совершеннее его состав.

Поликристаллы

Монокристаллы и поликристаллы характеризуются высоким молекулярным взаимодействием. Поликристалл состоит из множества монокристаллов и имеет неправильную форму. Иногда их называют кристаллитами. Они появляются в результате естественного роста или выращиваются искусственным путем. Поликристаллами могут быть сплавы, металлы, керамика. Основные характеристики складываются из свойств монокристаллов, но при этом большое значение имеют размеры зерен, расстояние между ними, границы зерен. При наличии границ, физические показатели поликристаллов значительно изменяются, снижается прочность.

Поликристаллы порождаются в результате кристаллизации, изменения кристаллических порошков. Эти минералы менее стабильны, чем монокристаллы, что приводит к неравномерному росту отдельных зерен.

Полиморфизм

Монокристаллы - это вещества, способные существовать сразу в двух состояниях, которые будут отличаться по своим физическим свойствам. Такая особенность получила название полиморфизм.

При этом вещество в одном состоянии может быть стабильнее, чем другая. При изменении условий окружающей среды ситуация может измениться.

Полиморфизм бывает следующих типов:

1. Реконструкционный - распад происходит до атомов и молекул.
2. Деформационный - структура видоизменяется. Происходит сжатие или растяжение.
3. Сдвиговый - некоторые элементы структуры изменяют свое местоположение.

Свойства кристалла могут измениться при резком изменении состава. Классическим примером полиморфизма является модификация углерода. В одном состоянии это алмаз, в другом - графит, вещества с различными свойствами.

Некоторые формы углевода при нагревании превращаются в графит. Изменения свойств могут происходить без деформации кристаллической решетки. В случае с железом замещение некоторых компонентов приводит исчезанию магнитных свойств.

Прочность кристаллов

Любой материал, применяемый в современной технике, имеет итоговую прочность. Наибольшей прочностью обладает сплав никеля, хрома и железа. Повышение прочности металлов позволит усовершенствовать военную и гражданскую технику. Увеличение износостойкости приведет к большему сроку службы. По этой причине прочность монокристаллов ученые давно изучают.

Чистые монокристаллы - это кристаллы с идеальной кристаллической решеткой, содержат незначительное количество дефектов. При уменьшении числа дефектов прочность металлов увеличивается в несколько раз. При этом плотность металла остается почти прежней.

Монокристаллы с идеальной решеткой устойчивы к механическому воздействию до температуры плавления. Не изменяются со временем. Чаще всего такие монокристаллы имеют нулевую дислокацию. Но это необязательное условие. Прочность объясняется тем, что микротрещины образуются в местах, где имеется наибольшее количество дислокаций. А при их отсутствии трещинам появляться негде. Значит, монокристалл прослужит до тех пор, пока не будет превышен порог его прочности.

Искусственные монокристаллы

Выращивание монокристаллов возможно при текущем уровне науки. При обработке металла, не меняя его состав, можно создать монокристалл, который обладает высоким запасом прочности.

Известно 2 метода производства монокристаллов:

• сверхвысокое давление и литье металла;
• криогенное давление.

Первый метод пользуется популярностью при обработке легких металлов. При условии чистоты металла и увеличении давления постепенно появится новый металл, обладающий теми же свойствами, но с увеличенной прочностью. При соблюдении определенных условий можно получить монокристалл с идеальной решеткой. При наличии примесей существует вероятность, что кристаллическая решетка будет не идеальна.

У тяжелых металлов при увеличении давления происходит процесс изменения структуры. Монокристалл еще не получился, а вещество изменило свойства.

В основе криогенного литья лежит получение криогенных жидкостей. Под воздействием магнитного поля не происходит кристаллизация. Полукристаллическая форма становится кристаллом после электрического заряда.

Алмаз и кварц

Свойства алмаза основаны на том, что это вещество с атомной кристаллической решеткой. Связь между атомами обуславливает прочность алмаза. При неизменных условиях алмаз не изменяется. При попадании в вакуум постепенно превращается в графит.

Размеры кристаллов существенно различаются. Синтетически выращенные алмазы имеют грани куба и внешне отличаются от собратьев. Свойства алмаза используются для резки стекла.

Кристаллы кварца встречаются повсеместно. Минерал - один из самых распространенных. Обычно кварц бесцветен. Если внутри камня имеется множество трещин, то он белого цвета. При добавлении других примесей он меняет цвет.

Кристаллы кварца используются при производстве стекла, для создания ультразвука, в электро-, радио-, телеаппаратуре. Некоторые разновидности применяются в ювелирном деле.

Структура монокристаллов

Металлы в твердом состоянии имеют кристаллическое строение. Структура монокристаллов - это бесконечные ряды чередующихся атомов. В реальности упорядоченность атомов может нарушаться из-за теплового воздействия, механического или по ряду других причин.

Кристаллические решетки встречаются 3 видов:

• тип вольфрама;
• тип меди;
• тип магния.

Применение

Искусственные монокристаллы - это возможность получать материал с новыми свойствами. Зона применения монокристаллов очень большая. Кварц и шпат создала природа, а фторид натрия выращен искусственным путем.

Монокристаллы - это материалы, которые применяются в оптике и электронике. Кварц и слюда используются в оптике, но являются дорогими. В искусственных условиях можно вырастить монокристалл, который будет отличаться чистотой и прочностью.

Алмаз используют там, где требуется высокая прочность. Но его успешно синтезируют в искусственных условиях. Трехмерные монокристаллы выращивают из расплавов.