Кафедра високотемпературних матеріалів та порошкової металургії

З давніх часів людство використовує кристали. Спочатку це були природні кристали, які використовувались як знаряддя праці та засоби для лікування та медитації. Пізніше роль рідкісні камені та дорогоцінні метали почали відігравати роль грошей. Фундаментальні наукові дослідження та відкриття XX сторіччя дозволи розробити методи отримання штучних кристалів та суттєво розширити області їх застосування.

Монокристал – це окремий однорідний кристал, який має безперервну кристалічну ґратку та іноді анізотропію властивостей. Зовнішня форма монокристалу залежить від атомно-кристалічної будови та умов (в основному швидкості та однорідності) кристалізації. Кристали, які вирощувались за малих швидкостей зазвичай мають добре сформовану природну огранку. Прикладами огранених природних монокристалів можуть бути монокристали кварцу, кам’яної солі, ісландського шпату, алмазу, топазу.

 

Якщо швидкість вирощування кристалу буде високою, то будуть утворюватись полікристали або полікристалічні агрегати, які складаються з великої кількості по різному орієнтованих монокристалів.

Монокристали високочистих речовин мають однокові властивості не залежно від методу отримання.

Натепер налічують близько 150 видів методів отримання монокристалів з парової, рідкої (розплавів та розчинів) і твердої фази. Найпоширенішими методами отримання з рідкої фази можна назвати метод кристалізації всередині тигля, поступовим переміщенням його з гарячої зони печі через холодну діафрагму (метод Бриджмена-Стокбаргера); виведенням частини розплаву з тигля за допомогою затравки (метод Чохральського); методом зонної плавки ( метод Пфанна) тощо.

На кафедрі високотемпературних матеріалів та порошкової металургії останнім методом вирощую монокристали гексаборида лантану та різних евтектичних сплавів на його основі. З монокристалів цих сполук виготовляють катоди, що використовуються в емісійній техніці.

Сучасне промислове виробництво широко застосовує монокристали діелектриків та напівпровідників, таких як монокристали кремнію та інтерметалідів (штучні сплави елементів третьої групи з елементами п’ятої групи), що є основою твердотільної електроніки, до якої відносяться електромеханічні прилади та такі пристрої як реле, перемикачі, виконавчі механізми, п’єзоелектричні прилади, накопичувачі на магнітних дисках, циліндричних магнітних доменах.


Штучний монокристал кремнію

Завдяки швидкому розвитку електротехніки та електроніки використання монокристалів збільшується з року у рік. Сьогодні деталі виконані з високочистих монокристалічних матеріалів можна знайти майже у всіх електронних приладах, від радіоприймачів і телевізорів до великих електронно-розрахункових машин.

Сучасних монокристалів для отримання світла в кристалічних лазерах та зміни його частоти з використанням ефекту нелінійної оптики вимагає і лазерна техніка, яка бурхливо розвивається.

Сучасній техніці вже не вистачає небагатого набору властивостей природних кристалів (особливо для створення напівпровідникових лазерів), тому вчені розробили метод створення кристалоподібних речовин з проміжними властивостями шляхом вирощування надтонких шарів (одиниці-десятки нанометрів), що чергуються, кристалів з подібними кристалічними ґратками – метод епітаксії. Ці кристали отримали назву фотонних кристалів.

В фотонних кристалах існують так звані заборонені енергетичні зони – це значення енергії фотонів, за якої вони не можуть проникати у кристал і розчинятись у ньому. Тобто, якщо на кристал падає фотон з енергією, яка лежить у забороненому інтервалі, то цей фотон не зможе проникнути до товщі кристала, він буде відбитий. Якщо ж енергія кванта світла, що падає, матиме дозволене значення, то він успішно пройде через кристал. Тобто фотонні кристали можуть грати роль світлового фільтра, що пропускає фотони лише з певними значеннями енергії і відсіює усі інші.

Фотонні кристали можна розділити на три групи, в залежності від кількості просторових осей вздовж яких змінюється значення показника переломлення. За цим критерієм кристали поділяють на одно-, дво- та трьохмірні.

Найвідомішим представником фотонних кристалів є опал. Дивовижний кольоровий візерунок, який властивий опалу з’являється саме завдяки існуванню заборонених енергетичних зон.

Фотонні кристали в лазерах дозволяють отримувати мало сигнальну лазерну генерацію, так звані низько порогові та без порогові; в дисплеях виконувати маніпуляції кольором пікселей; завдяки упорядкованому характеру явища утримання фотонів у фотонних кристалах їх можна використовувати як логічні пристрої та пристрої для запам’ятовування.

Монокристали штучних сапфірів лише у незначній мірі поступаються твердості алмазу і мають високу стійкість проти дряпання, що дозволяє застосовувати їх як захисні екрани в електронних пристроях (планшетах, смартфонах тощо). Застосування метода Чохральського дозволяє отримувати величезні монокристали штучних сапфірів.

   
Монокристали, пластини та захисні екрани зі штучних сапфірів

В наш час вчені все частіші ведуть мову про нанокристали. В залежності від виду нанокристалів та методу їх отримання нанокристали можуть мати розмір від 1 до 10 нм. У більшості випадків вони не перевищують 100 нм для кераміки та металів, 50 нм для алмазу та графіту, і 10 нм для напівпровідників. Розмір нанокристалів впливає на появу дуже незвичних властивостей у звичних речовин. І ці властивості людству ще треба дослідити і приборкати.

Уклала доц. Бірюкович Л.О.


Human Hair Extensions hair extensions for men paula young wigs cheap human hair wigs wigs for white women best human hair extensions Wigs for black women short wigs for black women Wigs for women
hair extensions for men women's wigs human hair wigs real hair wig wig types christie brinkley hair extensions cap wigs wigs for men lacefront wigs best wigs ken paves wigs hair extensions for men