«Кристаллы» - Курсовая работа

Содержание

Введение 3

1. Синтез кристаллов 5

1.1. Понятие синтеза кристаллов 5

1.2. Сущность и устройство лазера на кристаллах 12

2. Методы синтеза кристаллов 25

2.1. Выращивание из раствора в раславе 25

2.2. Метод Вернейля 27

2.3. Метод Бриджмена 29

2.4. Метод Чохральского 29

2.5. Метод зонной плавки 31

2.6. Гидротермальное выращивание 31

2.7. Метод твердофазной рекристаллизации 33

3. Выращивание методом Чохральского и применение в качестве пассивных лазерных затворов кристаллов 34

Заключение 38

Список литературы 39

Введение

Одним из видов стратегически важного минерального сырья являются монокристаллические минеральные образования.

Во второй половине ХХ века кристаллы различных соединений окончательно утвердились в качестве одного из основных конструкционных материалов изделий высоких технологий. Практически нет ни одной из сфер деятельности человека от космоса до быта, где бы ни применялись изделия, содержащие кристаллические элементы.

Минералы в виде монокристаллов в природе явление достаточно редкое. Среди них наиболее известны кристаллы горного хрусталя (кварц), слюд (мусковит, флогопит, биотит), сюда же можно отнести алмазы, кристаллы драгоценных камней (бериллы, корунды, шпинель, топаз, турмалин, сподумен, гранаты и пр.) и перечень их на этом, пожалуй, можно закончить. Кристаллы с совершенной структурой вообще уникальны. Немаловажно и то, что природа исчерпаема, а запасы кристаллического сырья, по сравнению с другими полезными ископаемыми, ничтожны.

Для массового производства компонентов электронной техники весьма важным является повторяемость свойств исходных кристаллических материалов, а все природные кристаллы сугубо индивидуальны. Можно утверждать, что двух абсолютно одинаковых природных кристаллов просто не существует. Но, с другой стороны, созданные за миллионы лет природой кристаллические вещества настолько разнообразны по своим свойствам за счет комбинаций примесей и дефектов структуры, что повторить их в эксперименте просто невозможно. Созданная природой физическая реальность в виде кристаллов таит в себе неимоверное материаловедческое богатство.

Выдержка из текста работы

1. Синтез кристаллов

1.1. Понятие синтеза кристаллов

Искусcтвенные кристаллы пробовали выращивать еще в XVI веке, но научились этому делу только в середине XX столетия.

Современная промышленность не может обойтись без самых разнообразных кристаллов. они используются в часах, транзисторных приемниках, вычислительных машинах, лазерах и многом другом. Великая лаборатория - Природа - уже не может удовлетворить спрос развивающейся техники, и вот на специальных фабриках выращивают искусственные кристаллы: маленькие, почти не заметные, и большие - весом в несколько килограммов. Сегодня растят не только то, что необходимо для промышленного применения, но и просто красивые камни для украшений, типа фианитов и изумрудов. Значение сверхчистых кристаллических материалов в нашей жизни огромно. Электроника использует особо чистые кристаллический кремний, сапфир, рубин и кварц, машиностроение - искусственные алмаз, корунд, рубин, нитевидный углерод и кевлар. [4, 147с.]

Нельзя обойти вниманием полупроводниковые кристаллы, из которых наиболее известны кремний и германий. В Периодической системе элементов Д.И. Менделеева они находятся в IV группе, там же, где углерод. Так вот, кремний и германий имеют кристаллическую решетку в точности такую, как у алмаза. Она так и называется "решетка алмаза". Для современной техники, однако, полупроводниковые элементы куда важнее алмазов. Полупроводниковый прибор — пластинка Ge или Si с системой электродов — может иметь размеры в доли миллиметра, а расстояние между электродами иногда бывает меньше I мкм. Они почти вытеснили электронные лампы. Это привело к снижению размеров и веса электронной и радиоаппаратуры, к снижению энергопотребления. Вся современная техника пошла по такому пути. Именно это привело к распространению компьютеров, к улучшению связи, к появлению ее космических видов и началу эры информационных технологий.

Особенно эффектно использование кристаллов в оптике. Здесь сразу же вспоминается лазер на кристалле рубина. Рубин (оксид алюминия с примесью хрома) — известный в природе драгоценный камень. Но то, что хорошо для драгоценных ювелирных камней, совсем не годится для лазерной техники. Поэтому пришлось наладить искусственное выращивание кристаллов рубина и изготовление из них стержней для лазеров, генерирующих красный свет с длиной волны 694,3 нм. От природных кристаллов лазерные отличаются более высоким совершенством и равномерным распределением примеси хрома.

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. Объясняется это сложностью процессов кристаллизации и техническими трудностями, связанными с необходимостью точного соблюдения режима выращивания монокристаллов. [11, 198с.]

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 синтетические кристалллы. В начале 20 в. синтезом кристаллов занимались Е. С. Федоров 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 и из расплавов (однокомпонентных и многокомпонентных систем), под его руководством была создана первая фабрика синтетиических кристаллов.

Сиинтетические кристалы 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. Сиинтетические кристалы кварца массой до 15 кг выращивают в автоклавах в течение многих месяцев, а особо чистые кристаллы (оптический кварц) растут несколько лет.

Таблица 1. Наиболее распространённые синтетические кристаллы

Название Химическая формула Методы выращивания Средняя величина кристаллов Области применения

Кварц S2 Гидротермальный От 1 до 15 кг, 300´200´150 мм Пьезоэлектрические преобразователи, ювелирные изделия, оптические приборы

Корунд Al2O3 Методы Вернейля и Чохральского, зонная плавка Стержни диаметром 20—40 мм, длиной до 2 м, пластинки 200´300´30 мм Приборостроение, часовая промышленность, ювелирные изделия

Германий Ge Метод Чохральского От 100 г до 10 кг, цилиндры 200 мм ´ 500 мм Полупроводниковые приборы

Кремний Si То же То же То же

Галогениды KCl, NaCl То же От 1 до 25 кг, 100´100´600 Сцинтилляторы

Сегнетова соль KNaC4H4O6´4H2O Кристаллизация из растворов От 1 до 40 кг, 500´500´300 мм Пьезоэлементы.

Заключение

Развитие современной физики твердого тела, электроники, атомной физики и многих других отраслей науки и техники немыслимо без широкого применения монокристаллических материалов. В настоящее время разработаны способы получения разнообразных монокристаллов с параметрами, удовлетворяющими научным и техническим требованиям. Тем не менее, наука и техника непрерывно требуют создания новых монокристаллических материалов с еще более высокими характеристиками или новыми сочетаниями физических и гехнических параметров. Существует значительное число методов выращивания кристаллов самых разнообразных веществ с температурой плавления от близких к абсолютному нулю до 4000 С.

На заре развития лазерной техники французский физик Луи де Бройль сказал: «Лазеру уготовлено большое будущее. Трудно предугадать, где и как он будет применяться, но я думаю, что лазер это целая техническая эпоха».

С тех пор прошло не мало времени более 40 лет. Время показало, что учёный был прав. Пройдёт ещё десять пятнадцать лет, и многие из вас соприкоснуться с лазерной техникой и найдут новые свойства у этого, ставшего привычным, прибора, а кто то, может быть, свершит с его помощью невиданные открытия, которые мы сегодня и представить себе не можем!

Список литературы

1. Плотников М.Н. Концепции современного естествознания. – М.: МГУ, 2004. – с. 680.

2. Болдырев В.В. Методы изучения кинетики термического разложения твердых веществ. - Томск: Изд. Томск. ун-та, 2001. - 332с.

3. Браун М., Доллимор Д., Галвей А. Реакции твердых тел. - М.: Мир, 1983. - 360с.

4. Вредные вещества в промышленности/Справочник.М., 1982.Т.1-3.

5. Гегузин Я.Е. Физика спекания.М.,1984.

6. Дальский А.М. Технология конструкционных материалов. М., 1985.

7. Жуковский В.М., Нейман А.Я. Формально-кинетический анализ твердофазных взаимодействий: изотермический метод.Свердловск,1979.

8. Жуковский В.М., Петров А.Н. Термодинамика и кинетика реакций в твердых телах.Свердловск,1987.Ч.1-2.

9. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение. М., 2002.

10. Левин Б.Е., Третьяков Ю.Д., Летюк Л.М. Физико-химические основы получения, свойства и применение ферритов. - М.: Металлургия, 1979. - 470с.

11. Левин Б.Е., Третьяков Ю.Д., Летюк Л.М. Физико-химические основы получения, свойства и применение ферритов. - М.: Металлургия, 1979. - 470с.

12. Материаловедение. / Под ред. Б.Н.Арзамасова. М., 1986.

13. Мерион. Дж. Б. Общая физика с биологическими примерами. – М.: Высшая школа, 1986.

14. Можаев А.П., Першин В.И., Шабитин В.П. Методы синтеза высокотемпературных сверхпроводников // Журн. Всес. Хим. Общ. им. Д.И.Менделеева, 1989, т.34, вып.4,. - С.504-508.

15. Нашельский А.Я. Технология спецматериалов электронной техники. М.,1993.

16. Небел Б. Наука об окружающей среде. Как устроен мир. – М.: Мир, 2003.

17. Основы технологий важнейших отраслей промышленности, Часть 1 / Под ред.Ченцова И, В., и др.– Минск.: Высшая школа, 1989;

18. Остроушко А.А. Физико-химические основы получения сложных оксидов из полимерно-солевых композиций. Автореферат дисс. … докт. хим. наук.М.,1996.

19. Остроушко А.А., Журавлева Л.И. Получение сложнооксидных материалов из полимерно-солевых растворов // Изв. высш. учебн. завед. Хими и хим. технология. - 1992. - Т.35. - Вып.10. - С.87-90.

20. Пористые проницаемые материалы/Справочник: под ред.С.В.Белова.М.,1987.

21. Рид С. Электронно-зондовый микроанализ. - М.: Мир, 1979. - 424с.

22. Третьяков Ю.Д. Химия и технология ВТСП - основные направления развития // Журн. Всес. Хим. Общ. им. Д.И.Менделеева, 1989, т.34, вып.4,. - С.436-445.

23. Третьяков Ю.Д., Лепис У. Химия и технология твердофазных материалов. - М.: Изд-во МГУ, 1985. - 256с.

24. Управление планетой Земля ( тематический номер ) // В мире науки, 20019. - № 11.

25. Фиалко М.Б. Неизотермическая кинетика в термическом анализе. - Томск: Изд. Томск. ун-та, 1980. - 110с.

26. Энциклопедический словарь “Электроника”.-М.: Российск. Энцикл., 2004.

27. Янг Д. Кинетика разложения твердых веществ. - М.: Мир, 1998. - 263с.

Примечания

Интересная уникальная свежая работа.