Природные и искусственные кристаллы.

Для оптических целей давно используются природные кристаллы: каменная соль(NaCl)(кубическая решетка), сильвин(KCl), флюорит (СаF₂),кварц(SiO₂), кальцит(CaCo₃), слюда.

Из этих кристаллов изготавливают призмы, окна, детали проекционных микроскопов, спектральных приборов, компенсаторы. Однако природные оптические кристаллы надлежащей однородности, прозрачности и размеров встречаются редко. Поэтому только с развитием методов искусственного выращивания кристаллы в больших масштабах стали применяться кристаллические материалы.

Не все кристаллы встречаются в природе. Кристаллы KDP и ADP, полупроводниковые кристаллы(Si, Ge …), в природе не встречаются и выращиваются искуственно.

Число синтетических кристаллов уже давно превышает число природных, т.е. в оптотехнике используются искусственные кристаллы за некоторым исключением, так как искусственные дешевле.

Характерные особенности кристаллов Анизотропия кристаллов. Все кристаллы обладают неодинаковыми физическими свойствами в различных направлениях.

Определенная температурара плавления кристаллизации T_пл.=T_кр.

Рисунок 21. Изменение температуры при плавлении кристалла.

Скачкообразность измерения физико-химических свойств при температуре плавления.

Т_кр

Рисунок 22. Зависимость свойств кристалла от изменения температуры.

Оптические параметры кристалла

Коэффициенты пропускания в УФ и ИК-диапазонах длин волн.

Для кристаллов, как и для стеклообразных веществ, условие прозрачности определяется формулой

, [эв] ширина запрещенной зоны.

В соответствие с этим , [Нм].

В соответствии с зонной теорией, когда все вещества делятся по ширине запрещенной зоны на проводники, полупроводники и диэлектрики. Проводники – это кристаллы металлов, у которых Е0. поэтому они не прозрачны, и используются в оптотехнике в качестве: зеркал, светоделителей, и полупрозрачных покрытий.

I₀ I₁ I₀

I

I₀

I₂

I₂

a) б) в)

Рисунок 23. Зеркала (а), полупрозрачные (б) и светоделительные (в).

Полупроводники, у которых 0<E3эВ

Диэлектрики, у которых E>3эВ

Для диэлектрических кристаллов характерна высокая прозрачность в УФ области. Диэлектрические кристаллы: щелочно-галлоидные и оксиды хорошо пропускают УФ начиная с 100…150 нм. Как и стекла, они прозрачны в видимом оптическом диапазоне. (от фиолетового до красного)

В ИК диапазоне их прозрачность определяется главным образом, колебанием кристаллической решетки.

ИК лучи - тепловые лучи энергии, попадая на кристалл, увеличивают колебания атомов, поэтому прозрачность кристалла уменьшается.

Колебания кристаллической решетки зависят от массы атомов и характера химических связей. Чем масса атомов больше, тем в боле длинноволновой области ИК спектра происходит поглощение излучения кристаллической решетки. Йодистый церий (CsI) прозрачен =250-60000нм. Масса CsI большая.

С поглощением излучения на колебаниях решетки также связано избирательное отражение. С увеличением степени ионной связи увеличивается интенсивность поглощения и избирательного отражения кристаллической решетки.

Для полупроводниковых кристаллов оптические свойства определяются, главным образом, собственным и примесным поглощением. Собственное поглощение полупроводников обусловлено переходом электронов из валентной зоны в зону проводимости. Большинство полупроводников в отличие от диэлектриков, непрозрачны в видимом и коротковолновом ИК участке спектра, где энергия падающего света вызывает этот переход электронов. От ширины запрещеной зоны зависит длинноволновая граница полосы поглощения.

Особые значения показателя преломления и средней дисперсии.

Диэлектрические кристаллы имеют сравнительно малые значения показателя преломления min n_e=1.38 (LiF), max n_e=1.76(Al₂O₃)

Показатель преломления определяет коэффициент отражения:

=((n-1)/(n+1))²

Чем больше показатель преломления, тем больше отражение.

Рисунок 24. Зависимость  от n.

Отражательная способность этих кристаллов невелика, не для всех материалов требуются просветляющие покрытия. Весьма важно, что значение оптических свойств кристаллов диэлектриков мало зависят от температуры.

Полупроводниковые кристаллы отличаются от диэлектриков большим значением показателя преломления

Ge n_e=4.12

Si n_e=3.46

В соответствии с формулой =((n-1)/(n+1))² с увеличением n_e, увеличивается коэффициент отражения световых лучей.

Поэтому 30-50% теряется на отражение.

Главное, что оптические свойства полупроводниковых кристаллов зависит от температуры.

Оптические кристаллы допускают определенные сочетания показателя преломления и средней дисперсии с хорошим (высоким) пропусканием в УФ и ИК-диапазоне. То есть в УФ и ИК-диапазонах кристаллы незаменимы.

Специфические параметры кристаллов, связанные с естественной анизотропией.

Двойное лучепреломление (см. лабораторную)- это расщепление прошедшего света на два луча: обыкновенный и необыкновенный, распространяющимися с разными скоростями и различно поляризованных в двух взаимно перпендикулярных плоскостях.

Обыкновенный луч (n₀) распространяется в материале с одинаковой скоростью, подчиняющийся закону преломления при входе и выходе из кристалла.

Показатель преломления для необыкновенного луча (n_e) непостоянен и зависит от направления.

Рисунок 25. Двулучепреломление в кристалле.

Двойным лучепреломлением не обладают кристаллы высшей симметрии (с кубической решеткой).

Среди диэлектрических кристаллов средней и низшей симметрии наибольшее число двулучепреломляющих:

SiO₂ n_e-n₀=0.09;

MgF₂ n₀-n_e=0.02;

CaCO₃ n₀-n_e=0.8;

ZnS n₀-n_e=1.37.

Оптическая активность кристалла - это способность некоторых кристаллов вращать плоскость поляризации луча, прошедшего через них. В зависимости от того, в каком направлении вращается плоскость поляризации различают две формы вращения: левую и правую. В зависимости от этого, различают лево- и правовращающие кристаллы.

Пример: SiO₂. В природе 50/50.

В технике стараются выращивать правовращающие кристаллы для удобства получения из них различно ориентированных пластин.

Угол поворота плоскости поляризации пропорционален толщине пластины и составляет для кварца 15-24/мм.

Угол поворота d/²

Наблюдают это явление в некоторых кристаллах, а также во многих

кристаллах низшей и средней категории.

Симметрия куба или октаэдра характерна для кристалла высшей категории.

Кристаллы средней категории - к ним относятся кристаллы, имеющие тетрагональную, гексагональную и тригональную решетку.

Электрооптический эффект

Это изменение показателя преломления кристаллов средней и низшей симметрии под действием электрического поля.

В результате прямого воздействия электрического поля на заряды диэлектрика или полупроводника перераспределяется плотность электрических оболочек образующих его частиц.

Так например, электрическое поле, приложенное к кубическому кристаллу, делает его из оптически изотропного двулучепреломляющим, с оптической осью, направленной по вектору электрической напряженности.

Разница между обыкновенным и необыкновенными лучами определяется

n₀-n_e=kE²

-квадратичный электрооптический эффект

Квадратичным электрооптическим эффектом обладают все кристаллические диэлектрики, и он является эффектом второго порядка, то есть дает малое изменение оптических свойств диэлектрика. (Исключением являются сегнетоэлектрики.)

В кристаллах пьезоэлектриков средней симметрии (тетрагональной, гексогональной и тригональной) возможен линейный электрооптический эффект, больший по величине квадратичного эффекта.

n₀-n_e=kE-линейный электрооптический эффект

В кристалле возникает двойное лучепреломление. Одноосный оптический кристалл может стать двуосным.

В электрическом поле в кристалле возникают новые оптические направления до двух, вдоль которых не происходит двойное лучепреломление.

Квадратичным электрооптическим эффектом обладают щелочно-галлоидные кристаллы NaCl, CuCl₂ и полупроводниковые кристаллы CuBr₂, ZnS, GaAs .

Линейным электрооптическим эффектом обладают SiO₂, KDP, ADP, LiNbO₃, LiTaO₃.

Электрооптические кристаллы находят широкое применение для изготовления: оптических затворов и транспарантов для передачи информации с использованием лазерного луча и генерации гигантских импульсов излучения; модуляторов света; применяются в оптической связи, в дальномерах, устройствах звукозаписи, фильтрах, в цветном ТВ, применяется в оптических элементах вычислительных машин, в оптических преобразователях.

Оптическая классификация кристаллов.

По оптическим свойствам и прозрачные и непрозрачные кристаллы делятся на три группы:

Первая группа: оптически изотопные кристаллы

-это кристаллы с кубической решеткой. Лучи света проходят в этих кристаллах в любом направлении с одинаковой скоростью, как в обыкновенных стеклах свободных от внутренних напряжений. Волновая поверхность света сферическая.

z

v

y

v v n=c/v показатель преломления

x

Рисунок 26.

Если v=const, то n_x=n_y=n_z=n. Для любой волны света скорость и показатель преломления одинаковы во всех направлениях

Вторая группа: оптически одноосные кристаллы

- это кристаллы средней и низшей симметрии, обладающих двойным лучепреломлением и поляризацией света.

В одноосных кристаллах лучи, распространяются во всех направлениях с одинаковой скоростью называются обыкновенными.

Волновая поверхность обыкновенных лучей - сфера. Лучи, у которых скорость распространения в кристалле неодинакова в различных направлениях, называется необыкновенной.

Волновая поверхность необыкновенных лучей – эллипсоид вращения. Обе волновые поверхности вписываются друг в друга.

Рисунок 27. Виды кристаллов.

Слева – отрицательный; Справа – положительный.

Оптически одноосные кристаллы (отрицательные) CaCO3-кальцит	Оптически одноосные положительные кристаллы SiO2-кварц
Эллипсоид вращения – сплюснутый Ve≥Vo, (no-ne)max=0.172	Эллипсоид вращения – вытянутый VeVo, (no-ne)max=0,009 ось oz – оптическая ось, где нет двойного лучепреломления

n=c/v; n_x=n_y=n_z=n для обыкновенного луча

n_x=n_y≠n_z= var для необыкновенного луча ось z (I-I)- оптическая ось.

Кальцит используется для изготовления призм поляризующих приборов.

Третья группа - оптически двуосные кристаллы – это кристаллы низшей симметрии (ромбической, многоклинной, триклинной). Волновые поверхности сложные, не такие простые как у одноосных кристаллов. Каждая главная плоскость пересекает поверхности по окружности и по эллипсу.

Рисунок 28. Волновые поверхности оптических двуосных кристаллов.

Оси ON’ и ON”- это оптические оси, при распространении света вдоль которых двойное лучепреломление отсутствует.

Механические свойства.

Большинство кристаллов по механическим свойствам уступают оптическому стеклу и лишь немногие из них обладают высокой прочностью и твердостью.

Прочность кристаллов: зависит от природы кристаллов. Кристаллический кварц близок к группе самых твердых стекол.

Сапфир или рубин AL₂O₃ значительно превосходит оптические стекла и кристаллические материалы. Кристаллический кремний Si близок к кварцу или кварцевому стеклу. Германий близок к группе стекол с высокой прочностью.

Флюорит CaF₂ близок к стеклам со средними прочностными характеристиками.

Решающее влияние на прочность оказывает состояние поверхностного слоя. После механической обработки прочность кристалла снижается.

Удаление нарушенного слоя при помощи химического травления или полирования повышает механическую и лучевую прочность кристалла.

Особенно эффективно ионо-плазменное травление кристалла.

Наличие у кристаллов плоскостей спайнности, где прочность материала наименьшая, позволяет легко раскалывать кристалл по этим плоскостям.

По этим плоскостям трещины, возникшие во время обработки, будут легко распространятся.

Спайнность - это свойство кристалла легко раскалываться по определенным кристаллографическим плоскостям - граням.

У различных кристаллов это свойство выражено по-разному. У одних кристаллов она ярко выражена(слюда, LiF). По степени выраженности спайнности у кристаллов различают: весьма совершенную, совершенную, среднюю, несовершенную, весьма несовершенную.

Рисунок 29. Спайность кристалла.

Проявляется отчётливее по линии 1–1 и менее по линии 2–2.

Первые две ступени характеризуют выраженную спаянность. Спаянность связана с внутренним строением кристалла.

Таблица 1. Плоскости спайности некоторых кристаллов.

Вещество	Тип структуры	Плоскости спайности
NaCl, NaBr, NaI, NaF, KCl, KBr, KI LiF PbS	Каменная соль	{100}
CaF	Флюорит	{111}
ZnS, InSb	Сфалерит	{110}
ZnS, CdS	Вюрцит	{100},{110}
Алмаз Ge, Si	Алмаз	{111}
α-Fe, W	Вольфрам	{100}
Сd, Zn, Mg, Be Графит	Магний Графит	{000}
Te, Se	Селен	{100}

Межплоскостные расстояния в кристаллах.

Определяется по формуле:

d²_hkl=[(h²+k²+l²) a^*]^-1

где a^*=a^-1, для кубической решетки

d²_hkl=[(h²+k²) a^*2+l²*c^*2]^-1 где a^*=a^-1, с^*=с^-1 для тетрагональной решетки

d²_hkl={[h²+k²+l²+2 (kl+lh+hk) cosa^*] a^*2}^-2, где cos(a^*/2)=1/2 cos(a/2); a^*=1/(V_a sina sina^*) для тригональной решетки.

Эти плоскости спайнности отчетливо выражены у щелочно-галлоидных кубических кристаллов.

У полупроводниковых кристаллов Si, Ge наиболее выраженная плоскость спайнности (111).

У некоторых кристаллов диэлектриков плоскость будет {101}: SiO₂, Al₂O₃.

Твердость - наибольшей твердостью обладает алмаз H_М=10; сапфир (корунд, рубин)- H_М=9.5; кремний H_М=7, кварц, германий; H_М=6; оптическое стекло H_М=5-6. Оптические кристаллы тверже, чем оптические стекла.

Наименьшей твердостью обладают:

NaCl

KCl H_М=2.5 (щелочно-галлоидные кристаллы, водорастворимые).

KBr

≥90% =20030000 нм.

GaAs –H_М=4.5

AgCl – H_М=2.5

Нерастворимые в воде, обладают пластичными свойствами.

Эти обстоятельства существенно влияют на технологию их обработки. Алмаз и сапфир обрабатываются только алмазами. Мягкие водорастворимые кристаллы обрабатываются абразивной суспензией более мягких абразивных порошков или без абразивной обработкой.

Твердость может измеряться методом вдавливания алмазной пирамидки по Виккерсу.

Hv=3 ГПа флинт

Hv=4.5-7.5 ГПа крон

K_ш=v_эт./v_ом. (эталон К8)

Тепловые свойства кристаллов.

Теплопроводность: для кубических кристаллов диэлектриков коэффициент теплопроводности на порядок больше, чем у стекла; для полупроводниковых кристаллов коэффициент теплопроводности на порядок выше, чем у кристаллов диэлектриков; для одноосных кристаллов диэлектриков наблюдается анизотропия свойств:

_z>_x,y

_z- коэффициент теплопроводности.

Тепловое расширение: для кубических кристаллов диэлектриков (NaCl, KCl) коэффициент линейного расширения значительно больше, чем у стекла; для полупроводниковых кристаллов значение коэффициента линейного расширения такой же, как и у стекла; для одноосных кристаллов характерна анизотропия теплового расширения:

_z<_x,y (кроме CaCo₃)

Термостойкость: имеет большое значение для кристаллов. Неблагоприятные сочетания малой термостойкости и большой хрупкости фторидов приводит к их растрескиванию при перепаде температур на 5С

Химическая устойчивость кристаллов: способность растворяться у всех кристаллов различается большим разнообразием.

NaCl P=35.7 г/100гр H₂O

KCl P=34.7 г/100гр H₂O

NaF P=4.2 г/100гр H₂O

LiF P=0.27 г/100гр H₂O

KBr P=53.48 г/100гр H₂O

АДП P=22.7 г/100гр H₂O

КДП P=33 г/100гр H₂O

Ряд кристаллов отличают заметной анизотропией растворимости.

кристалл SiO₂ SiO₂ – cтекло

V_{раст z}>> V_{раст x}> V_{раст y} V_{раст z}= V_{раст x}= V_{раст y}

V _z: V_x,y=100:1 V _z: V_x,y=1:1

Рисунок 30. Изменение сферы из кристаллического кварца (а) и кварцевого стекла (б) при травлении в плавиковой кислоте HF.

Это явление используется в технологии обработки полупроводников и диэлектриков.

Технология роста кристаллов

Образование и рост кристаллов представляет собой сложный физико-химический процесс, связанный со скачкообразным переходом из неупорядоченного состояния вещества (раствора, газа, расплава) в кристаллическую твердую фазу. Переход в кристаллическое состояние для каждого вещества происходит при строго определенной для каждого вещества температуре

Т_кр=Т_пл

Для выращивания монокристаллов из вещества, находящегося в любом агрегатном состоянии с неупорядоченным расположением атомов, необходимы три условия:

1. Перевод системы в метастабильное (неустойчивое) состояние, например, в состояние перенасыщенного раствора, или переохлажденного расплава.

2. Наличие затравочного кристалла (затравки), не меньшего так называемого критического размера со строго определенной кристаллографической ориентацией.

3. Направленный теплоотвод.

Способы кристаллизации.

Кристаллизация осуществляется: во-первых из раствора, во-вторых из расплава, в третьих из газовой среды. Выбор способа кристаллизации зависит от свойств вещества и в ряде случаев, один и тот же кристалл можно вырастить различными способами.

Первый способ. Выращивание кристаллов из растворов.

Из растворов получают кристаллы веществ, которые хорошо растворяются в воде или в других растворителях: органических, а также щелочных растворах. Все методы выращивания из растворов основаны на использовании зависимости концентрации вещества С в растворе от термодинамических параметров, определяющих состояние системы:

С=f(P,T,C’), где

C- концентрация вещества в растворе;

P и T- давление и температура раствора;

C’-концентрация вспомогательного вещества в растворе.

Процесс кристаллизации состоит в отдаче растворителем избытка растворенного в нем вещества. Отсюда следует, что кристаллы можно выращивать только из пересыщенного раствора.

В зависимости от того, какой термодинамический параметр: P,T или C’ определяет изменение концентрации С вещества до пересыщения, различают следующие методы выращивания кристаллов из растворов путем:

1. Повышения или понижения температуры;

2. Удаления испарений растворителя;

3. Создания температурного градиента Т при повышенных температуре и давлении – гидротермальный метод.

Второй способ. Метод выращивания кристаллов из растворов путем изменения температуры.

Применяется для выращивания кристаллов, растворимость которых падает при понижении температуры (водорастворимых кристаллов)

Рисунок 31. Температурный ход растворения вещества в воде.

Рисунок 32. Кристаллизация из раствора путём уменьшения температуры.

Р₂ – Р₁=50г–35г=15г/100г Н₂O

Из этого раствора может получиться кристалл массой 15г.

Путем понижения температуры насыщенного раствора можно перевести в пересыщенную, а затем и в кристаллическую фазу определенное количество вещества из каждого литра раствора.

Для ускорения роста кристаллического вещества больших размеров, в раствор вводят затравку: необходимую пластину того же кристалла.

Наоборот, в солях, растворимость которых повышается с повышением температуры, определенное количество кристаллов можно получить путем его нагревания.

Если растворимость кристалла не изменяется с изменением температуры, то такие вещества непригодны для выращивания этим методом.

Установка для выращивания кристаллов из растворов.

Рисунок 33. Установка для выращивания кристаллов из раствора.

1-вращающийся цилиндр; 2-двойные цилиндрические стенки стенки; 3-водный раствор; 4-резервуар; 5-затравка; 6-тонкий стержень; 7-смотрровое окно.

Установка для выращивания кристаллов называется кристаллизатор, основными частями которой является вращающийся цилиндр 1 из нержавеющей стали с двойными цилиндрическими стенками 2, типа сосуда Дюара.

Резервуар 4 с водой для охлаждения и кристаллодержатель 6. При вращении цилиндра, затравка 5 и кристалл неподвижны. Большие однородные кристаллы растят в термостатах, то есть в установках, в которых автоматически поддерживается или изменяется по определенному закону, температура. Для перемешивания раствора 3 вращают цилиндр, или вводят специальную мешалку. Для наблюдения за ростом кристаллов на боковых поверхностях цилиндра размещены смотровые окна 7.

Наиболее простая установка работает так: сначала нагретый до температуры [T=T₀+(1520)C] (выше температуры окружающей среды) раствор заливают в цилиндр, он закрывается. В резервуар заливается вода, температура которой снижается по определенному закону. Обычно скорость изменения температуры составляет:

V_охл. =0,5 с/сут ; Т=Т_раств. –Т₀; =Т/V_охл.=(1520)/0,5=3040 суток.

Полный период выращивания составляет приблизительно месяц. При постепенном снижении температуры растворимость вещества уменьшается, и раствор все время остается пересыщенным, так что из него могут расти затравки кристаллов.

Способ прост, не требует дорогостоящего оборудования, скорость роста приблизительно 3мм в сутки:

V_роста=3мм/с; V_роста /24=0,125 мм\час.

Гидротермальный метод выращивания кристаллов.

Это разновидность выращивания кристалла из раствора, концентрация которого есть функция dx переменных (Т и Р). Этот метод был разработан в США и в России специально для выращивания кристаллов кварца. В связи с огромной потребностью этого материала в радио и оптоэлектронике. Природные кристаллы из за высокой цены и недостаточной оптической однородности не устраивали оптическую промышленность. Работы в нашей стране начались до II мировой войны и закончились успешно в 1934г. Руководителем этих работ был Шубников А.В.. В 1957 в России были выпушены первые партии кристаллов кварца. Теперь кварц выращивается для нужд оптической, ювелирной и радио - электроники на предприятиях в Александрове, Южно-Уральске и Кузнецке.

Гидротермальный синтез кристаллов с использованием перехода температуры.

Рисунок 34. Схема выращивания кристаллов кварца гидротермальным методом.

а – конструкция автоклава с системой управления для выращивания синтетического кварца. б – действие диафрагмы на распределение температуры.

Промышленный гидротермальный синтез в среднегабаритных удлиненных да 5…8 м автоклавах 1 (рисунок 34, а) объемом V_a=1,0…1,5 м³ и отечественных крупногабаритных автоклавах диаметром 1,0…1,5 м и длиной до 6 м, изготовленных из легированной стали. В нижней зоне растворения 2 в металлических контейнерах помещается шихта 3 – небольшие куски природного кристаллического или жильного кварца размером 6…40 мм. Автоклав заполняется до определённого объема V_D=(0,7…0,85) V_a слабым раствором 4 карбоната натрия (Na₂CO₃) или его гидрооксид (NaOH) с присадками (LiNO₃, Li₂CO₃ или др.). В верхней зоне кристаллизации 5, отдельный от зоны растворения диафрагмой с отверстиями 6, устанавливается металлическая рамка 7 с затравками 8. При двустороннем росте затравки располагаются вертикально, при одностороннем – горизонтально и закрываются при этом сверху металлическим экраном. Автоклав герметично закрывается крышкой 9 с затвором 10 различной конструкцией и нагревается с помощью нагревателей 11 и 12 в вертикальной двухзонной печи 13.

Крупногабаритные автоклавы устанавливаются в шахтах с расположением нагревателей внутри автоклава. При нагревании раствора до рабочих температур 350 ... 400°С уровень раствора повышается, рабочий объем автоклава полностью заполняется плотность раствора при этом уменьшается в V_а/V_D раз и в заплотность раствора ρ при этом уменьшается в V_р V_а возникает давление p = 50... 100 МПа, контролируемое датчиком 14. Темпе­ратура в зоне кристаллизации T поддерживается ниже температу­ры в зоне растворения T_р на 20...40°С и контролируется термопа­рами 15 и 16. Растворимость кварца в щелочном растворе увели­чивается с повышением температуры T_р не менее чем до 2... 5%, и кварц в нижней зоне растворяется до насыщения. Благодаря конвекционным потокам насыщенный раствор переносится в зону кристаллизации, где он оказывается пересыщенным. Это приводит к осаждению растворенного вещества на затравках. С данного мо­мента начинается рост кристалла на затравках, которые до этого сами травились в растворителе. Отмечается роль диаф­рагмы в создании перепада температур между зонами растворе­ния и кристаллизации ΔT = T_р— Т, обеспечении изотермичности каждой зоны (рисунок 34, б), формировании конвекционных потоков и скорости роста кристаллов и уменьшении неравномерности роста кристаллов верхнего и нижнего ярусов рамки. В процессе роста размер кристалла можно контролировать, измеряя его массу.

Автоклав заполняется исходной шихтой из мельченного поликристаллического природного кварца. До определенного уровня автоклав заполняется растворителем на 80%, который представляет собой водно-щелочной или водно-содовый раствор. Затем в автоклав помещается рамка с затравочными кристаллами. Рамка представляет собой металлический каркас, состоящий из ярусов. Затем автоклав закрывают, при этом используют надежные затворы.

Раствор с помощью нагревателей нагревают в данной части до 400С, в верхней части до 360С. При этом создается давление Р=(800…1000)*10⁵Па. В автоклаве, в нижней части, более нагретой, происходит растворение кварца насыщения.

Растворимыми называют такие системы, в которых одно вещество равномерно распределено в системе другого. В общем случае этот термин может относиться к любому агрегатному состоянию системы. Сюда входят смеси газов, жидкие растворы и твердые растворы или смешанные кристаллы.

Благодаря конвекционным потокам (температурному градиенту Т и перфорированной решетке). Температура переносится в верхнюю часть.

Если в нижней зоне раствор был насыщенным, то верхние части раствор оказывается перенасыщенным, так как температура на 40С меньше, происходит осаждение растворенного вещества на затравках. (Скорость роста кристалла зависит от направления кристаллографических осей).

Скорость роста кристалла анизотропная, как и растворение, их наибольшие значения совпадают, то есть чем быстрее растворяется, тем быстрее растет.

Поскольку скорость растворения кристалла вдоль оптической оси больше, то скорость роста вдоль этой оси наибольшая.

Различают односторонний и двусторонний рост, когда кристалл растет на затравках. Экран металлической фольги, искусственный кристалл кварца, выращенные по этой технологии могут служить сырьем для получения высокочистого кварцевого стекла.

Этим методом выращивают кристаллы сапфира(Al₂O₃), рубина, слюды, гранатов, изумруда, топаза, кварца.

У кристаллов, которым характерна анизотропия роста, наблюдается их склонность к самоогранке. Если V_z>V_R,r>V_y, кристалл кварца самоограняемый в соответствии с законом Гиббса.

Первое положение этого закона гласит: кристалл, находящийся в равновесии со своим раствором должен иметь форму, которой отвечает тип его суммарной поверхности при постоянном объеме.

 _i S _i=min при V=const

i-направление или грань

_i= _i; -скорость роста; - поверхностная энергия.

Так как скорость роста прямо пропорциональна поверхностной энергии растущей грани, то быстро растущие грани вырождаются, чтобы площадь поверхности этой грани была минимальной.

S _i = min(0)

R - большой ромбоэдр;

C - малый ромбоэдр.

Качество выращенного кристалла находится в прямой зависимости от качества затравки. Все виды дефектов затравки примеси, дислокации переходят в растущие кристаллы, как правило, затравки делают из высоко качественного природного кварца. А если его нет, то затравку делают из искусственного кварца в тех же автоклавах.

Выращивание кристаллов из расплавов.

Метод основан на нагреве вещества до Т>Т_пл., а затем медленным охлаждением не по всему объему, а на некотором участке, ограниченном затравкой.

Преимущество:

1. Большая производительность процесса роста, так как скорость роста в десятки раз превышает скорость роста из растворов. _рост.5…10 мм/час;

2. Применим для веществ, растворимость которых мала или с нулевым коэффициентом термического растворения, а так же для веществ с узкой метастабильной областью растворения.

Недостатки:

1. Однородность выращенных кристаллов ниже, чем у кристаллов, выращенных из растворов. Распространенный дефект - термические напряжения.

2. Неприменим для веществ:

а) обладающих высокотемпературными полиморфными модификациями (кварц);

б) плавящихся с разложением.