Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Введение в техническую физику. Учебно-методическое пособие
.pdf
Интересным и практически важным случаем является полиморфизм
углерода — существование его в виде алмаза и графита (рис. 12).
а ⸻ алмаз
Рис. 12. Кристаллические решетки
б ⸻ графит
Поликристаллические вещества и монокристаллы
Монокристаллом называют одиночный кристалл, имеющий
макроскопическую упорядоченную кристаллическую решетку.
Монокристалл характеризуется правильностью своей формы: плоскими
гранями, прямыми ребрами и симметрией, т. е. соразмерностью своих частей.
Эта правильная форма выражает внутренние свойства кристалла, что позволяет
опытным путем отличить кристалл от куска вещества, которому такая форма
придана искусственно [18].
Рис. 13. Монокристалл кварца
Рис. 14. Монокристалл алмаза
Рост кристаллов из расплава или раствора начинается, как правило, из
весьма большого числа центров. Если не приняты специальные меры, то
21
кристаллизация приведет к образованию не монокристалла,
а поликристаллического вещества.
Рис. 15. Поликристаллическая структура граната
Под микроскопом такое вещество кажется состоящим из отдельных зерен.
Каждое зерно — это кристалл, принявший неправильную случайную форму,
поскольку его дальнейшему росту препятствовали соседние кристаллики.
Типичные размеры зерен в металлах, сплавах, природных камнях составляют
порядка 0,1–1 мкм. Большинство тел, с которыми приходится иметь дело
в технике являются поликристаллическими веществами. В отличие от
монокристаллов поликристаллические твердые тела изотропны [18].
2.6. Дефекты в кристаллах.
Методы выращивания кристаллов [18]
Реальный кристалл существенно отличается от идеальной
пространственной решетки. Это следует из множества фактов, в том числе из
непосредственных электронно-микроскопических наблюдений. Однако
основные представления о дефектности кристалла возникли, прежде всего, из
измерений прочности. Оказалось, что реальный кристалл разрушается при
механических напряжениях, в сотни раз меньших тех, которые получаются из
теоретических расчетов для идеального бездефектного кристалла. Причем
причина расхождений состоит в наличии внутренних (объемных)
и поверхностных дефектов строения кристаллических решеток. Например,
точечные дефекты могут быть следующих типов (рис. 16):
22
Рис. 16. а — замещение собственного атома чужеродным;
б — внедрение атома в междоузлие;
в — вакансия (отсутствие атома в узле кристаллической решетки
Нарушение в порядке расположения атомных плоскостей в кристалле
(наличие лишней полуплоскости) называется дислокацией.
На рисунке 17 в качестве примера показана, так называемая спиральная
дислокация. Решетка разбита на два блока, один из которых своей частью
смещен на один период по отношению к соседнему.
Рис. 17
Наибольшие искажения сосредоточены на оси, показанной на рисунке.
Область, примыкающая к этой оси, собственно, и называется спиральной
дислокацией.
23
Как видно из схемы, спиральная дислокация представляет собой иной тип
искажения, отличный от простого. Лишнего ряда атомов здесь нет. Искажение
состоит в том, что вблизи оси дислокации атомные ряды меняют своих
ближайших соседей, а именно, изгибаются и подравниваются к соседям,
находящимся этажом ниже.
Методы выращивания кристаллов
Наиболее распространенными способами выращивания кристаллов
являются кристаллизация из расплава и кристаллизация из раствора.
Переход из жидкого состояния в твердое (кристаллизация) и обратный
переход (плавление) состоят в фундаментальной перестройке частиц. При
плавлении исчезает дальний порядок в расположении молекул или атомов.
При данном давлении плавление происходит при строго определенной
температуре. Колебания атомов или молекул становятся при этом столь
значительными, что поддержание дальнего порядка становится невозможным.
Если задержать подвод тепла при температуре плавления, то жидкость
(расплав) и кристалл могут находиться в состоянии равновесия. Кристалл не
будет ни расти, ни плавиться.
Однако, плавление кристалла происходит без задержки. Напротив,
обратный процесс т. е. кристаллизация может быть задержана, а иногда может
и не происходить вообще.
Для того чтобы началась кристаллизация в расплаве, должен появиться
зародыш — система из десятков атомов или молекул, принявших
расположение, имеющее место в кристалле.
Далее, в расплаве должны существовать условия, способствующие росту
этого зародыша. Для большинства расплавов существенно задержать процесс
образования зародышей не удается. Во всяком случае, чтобы добиться этой
задержки, необходимо охлаждение в очень осторожных условиях: нельзя
допустить попадания в жидкость пылинок, необходимо устранить всякие
механические помехи — колебания, дрожания сосуда и пр. Поэтому избежать
самопроизвольного образования зародышей, т. е. стабилизации удобных для
кристаллизации атомных или молекулярных групп, вероятно, нельзя.
Однако может произойти другое. При понижении температуры может
столь сильно уменьшиться подвижность частиц, что скорость роста
24
кристаллических зародышей станет практически равной нулю. В этом случае
и возникают стекла.
Общий вывод: Рост кристаллов будет происходить всегда, если
в жидкости (расплаве), находящейся в условиях термодинамического
равновесия с кристаллом, находятся небольшие кристаллики (затравки). При
помощи затравок выращивают кристаллы для промышленных целей.
Если отвод тепла происходит весьма медленно (доли градуса в сутки)
и если затравка вращается в жидкости, то кристалл растет по небольшому
числу своих возможных граней. Растут, естественно, те грани, которые
обладают наименьшей поверхностной энергией.
Рис. 18
Механизм роста кристалла заключается в подходе каждой следующей
частицы к тому месту кристалла, где силы сцепления будут наибольшими
и, следовательно, потенциальная энергия — наименьшая.
На рисунке 18 показаны три возможности подхода атома к строящемуся
кристаллу. В положении А действующие на атом притягивающие силы больше,
чем в положении Б, а в Б — больше, чем в В. Поэтому молекулы или атомы
будут всегда с большей легкостью застраивать уже начавшую строиться
плоскость, чем начинать строить новую.
Методы выращивания кристаллов из расплава
1. Метод Чохральского (рис. 19).
25
Для кремния Тпл = 1415 °С.
2. Метод Вернейля (рис. 20).
Рис. 19
Рис. 20
Тпл = 2030 °С
26
3. Метод зонной плавки (перекристаллизации) (рис. 21).
Рис. 21
2.7. Ближний и дальний порядок. Аморфные твердые тела [18]
Аморфными называют твердые тела, у которых отсутствует
кристаллическая структура. Аморфные тела обладают лишь ближним
порядком в расположении частиц и этим не отличаются от жидкостей. Поэтому
аморфные тела рассматривают как переохлажденные жидкости. Примером
аморфных тел может служить янтарь (затвердевшая смола), а также стекла. Как
и жидкости аморфные тела изотропны.
Рис. 22
27
На рис. 22 а изображена схема строения кварца (окись кремния, SiO
)а)
)
),
2
а на рис. 22 б — схема строения кварцевого стекла. Одно и то же в химическом
отношении вещество может быть получено как в кристаллическом, так и в
аморфном видах. Сходство и различие этих двух состояний вещества отчетливо
видны на рисунке. Иногда говорят, что аморфное тело — это «испорченный»
кристалл. Как в кристаллическом, так и в аморфном телах число и характер
окружения ближайшими соседями одинаковы [18]. Однако дальний порядок в
стекле отсутствует.
2.8. Жидкие кристаллы
Жидкокристаллическое состояние — это особое состояние некоторых
органических веществ, сочетающее в себе свойства жидкостей (текучесть)
и кристаллов (анизотропия).
Молекулы веществ, образующих жидкие кристаллы (ЖК), всегда
обладают удлиненной формой. Существует три класса жидких кристаллов,
различающихся внутренним строением.
1. Нематики (от греч. «нема» — ‘нить’). Их образуют длинные
сигарообразные или нитевидные молекулы. Типичные размеры таких молекул
составляют 30–40 нм в длину и порядка 0,4 нм в поперечнике.
В ЖК-состоянии эти молекулы параллельны друг другу, но совершенно
беспорядочно сдвинуты вдоль своих осей (рис. 23 б).
Смектический
порядок
Нематический
порядок
Холестический
порядок
б
Рис. 23
28
в
2. Смектики (от греч. «смегма» — ‘мыло’) имеют более упорядоченную
структуру. Их молекулы сгруппированы в слои (рис. 23 а) причем
взаимодействие молекул между слоями довольно слабое и слои легко скользят
относительно друг друга.
3. Холестерики (от холестерина). Отличаются от нематиков
расположением молекул. Длинные оси молекул в холестерических ЖК
повернуты друг относительно друга таким образом, что молекулы образуют
спиралевидные структуры. Молекулы холестериков очень чувствительны
к изменениям температуры и в зависимости от нее — меняют свою «укладку»
в спираль. Причем в зависимости от шага спирали холестерики меняют свой
цвет [28].
В отличие от кристаллов, в ЖК-состоянии «дальний порядок» существует
не в трех направлениях, а в одном направлении.
Рис. 24
ЖК-состояние существует в определенном для каждого вещества
интервале температур ΔТ. Иногда он очень узок ~0,01К, а у некоторых веществ
может достигать и 120 К. При охлаждении жидкий кристалл превращается
в твердый, а при нагревании, когда ориентация молекул разрушается тепловым
движением и исчезает анизотропия ЖК превращается в обычную жидкость.
Таким образом у жидкокристаллических тел есть две температуры плавления
(см. рис. 24).
Способность вещества образовывать жидкие кристаллы определяется не
только удлиненной формой и жесткостью молекул, но и характером сил
межмолекулярного взаимодействия.
29
Оптические свойства жидких кристаллов
Рассмотрим на примере нематиков. Они состоят из доменов —
небольших областей, где есть ориентация и определенный порядок
в расположении молекул. На границе раздела соседних доменов происходит
частичное отражение и преломление света. Поэтому в целом нематики не
прозрачны.
Для того чтобы нематик стал прозрачным его надо перевести
в однодоменное состояние, при котором все молекулы ориентированы в одном
направлении. Например, нематик размещают между двумя параллельными
стеклянными пластинами с зазором 0,01–0,1 мм. Пластины имеют специально
сделанные микроборозды (глубина и ширина порядка 10–100 нм, рис. 25).
В них молекулы ориентируются одинаково. В результате получается ЖКпленка — монокристалл нематика, который будет прозрачным.
Рис. 25
Для получения изображений на стеклянные пластины наносят
прозрачные и токопроводящие электроды (например, из оксида олова). При
подаче на них электрического напряжения ЖК-структура в этой области
разрушается и данная область становится непрозрачной. Делая множество
таких элементов, получают матрицу экрана ЖК-монитора.
а)
Рис. 26. Работа ЖКИ на эффекте динамического рассеяния при напряжениях:
б)
в)
а — нулевом, б — пороговом, в — превышающем пороговое
30
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]