Вирощування кристала в ізводних розчинах

Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України

Запорізький національний технічний  університет

 

 

Кафедра мікро- та наноелектроніки

 

 

 

 

Звіт по ІДЗ № 1

з дисципліни:

«Технологія виробництва напівпровідникових матеріалів»

Тема: «Вирощування кристала в ізводних розчинах»

 

 

 

 

 

 

 

Розробили:                                                                        Є. О. Льовкін

ст. гр. РП-318                     В. М. Петрінчик

                                                                                         А. Г. Сушков

 

 

Перевірив:                                                                          Г. В. Сніжной

 

 

 

Запоріжжя 2011

 

ЗМІСТ

 

ВСТУП…………………………………………………………….……………………………3

1 ТЕОРЕТИЧНА ЧАСТИНА……………………………………………………..5

1.1 Що таке кристал?...............................................................................................5

1.2 Як вирощують кристали………………………….………………………….6

2 ПРАКТИЧНА ЧАСТИНА…………………………………………………......9

2.1 Процес вирощування кристалів………………………………………….…9

2.2 Таблиця спостережень вирощування кристалів……………………….…11

ВИСНОВОК………………………………………………………………………...

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВСТУП

 

Структура рідких кристалів - розчинів має величезне значення для життєдіяльності організму, наприклад для циркуляції крові, перенесення нею кисню, функціонування клітин мозку, для роботи різноманітних, клітинних мембран. Дефекти структур мембрани призводять до захворювання організму. При несприятливою концентрації різних компонентів в жовчі утворюються спочатку не повністю тверді кристали, а потім і «камені». Природні кристали завжди збуджували цікавість у людей. Їх колір, блиск і форма зачіпали людське почуття прекрасного, і люди прикрашали ними себе і житло. З давніх пір з кристалами були пов'язані забобони; як амулети, вони повинні були не тільки захищати своїх власників від злих парфумів, але і наділяти їх надприродними здібностями. Пізніше, копиті ж самі мінерали стали розрізати і полірувати, як дорогоцінні камені,багато забобони збереглися в талісмани «на щастя» і «своїх каменів», відповідних місяцях народження. Всі дорогоцінні природні камені, крім опалу, є кристалічними, і багато з них, такі, як алмаз, рубін,сапфір і смарагд, трапляються у вигляді чудово огранених кристалів.

Прикраси з кристалів  зараз настільки ж популярні, як і в добу неоліту.

Одне з нових науково - технічних напрямків, що сформувалися на наших очах, - космічне матеріалознавство: одержання нових речовин і матеріалів та поліпшення їх речовин в невагомості.

Найбільший інтерес  з точки зору рентабельності виробництва в космосі представляють ті речовини і матеріали, до яких пред'являються підвищені вимоги щодо їх структурного досконалості і однорідності. Особливе місце серед них займають монокристали напівпровідників, одержувані звичайно в наземних умовах кристалізацією з розплавів в спеціальних високотемпературних печах, після переплавлення цих кристалів здійснюється в умовах космосу.

Вченими обговорювалася ситуація кристалізація зірок званих білими карликами. Теорія еволюції зірок передбачає, що коли білий карлик був молодим, в його надрах йшли ядерні реакції, і він був досить - таки гарячим. Після того як ядерні реакції скінчилися, температура в зірку могла бути ще близько 10⁷К, при досить високих температурах карлик міг і не бути кристалічним. В міру його охолодження повинна пройти кристалізація. У кристалізованій зірці внутрішні області весь час залишаються гарячими, ніж зовнішні, тому кристалічна структура -  «кірка» - виникає спочатку саме в квартирі, а вже потім «проростає» в глибину карлика. При кристалізації виділяється енергія. Теплові і механічні властивості твердих тіл і симетрія кристалів.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 ТЕОРЕТИЧНА ЧАСТИНА

 

1. Що таке кристал?

 

Можливо, ви вважаєте, що кристал – це рідкісний і красивий мінерал чи дорогоцінний камінь. Частково ви маєте рацію. Смарагди та діаманти є кристалами. Але не всі кристали рідкісні та красиві. Кожна окрема частинка солі або цукру – теж кристал! Багато хто з самих звичайних речовин навколо нас представляють із себе кристали.

Кристал – це твердий стан речовини. Він має певну форму і певну кількість граней внаслідок розташування своїх атомів. Всі кристали однієї речовини мають однакову форму, хоч і можуть відрізнятися розмірами.

У природі існують сотні речовин, що утворюють кристали. Вода – одне з найбільш поширених з них. Замерзаюча вода перетворюється на кристали льоду або сніжинки.

Мінеральні кристали теж утворюються  в ході певних породоутворюючих процесів. Величезні кількості гарячих  і розплавлених гірських порід глибоко  під землею в дійсності являють собою розчини мінералів. Коли маси цих рідких або розплавлених гірських порід виштовхуються до поверхні землі, вони починають остигати. Вони охолоджуються дуже повільно. Мінерали перетворюються в кристали, коли переходять зі стану гарячої рідини в холодну тверду форму. Наприклад, гірський граніт містить кристали таких мінералів, як кварц, польовий шпат і слюда. Мільйони років тому граніт був розплавленої масою мінералів у рідкому стані. В даний час в земній корі є маси розплавлених гірських порід, які повільно охолоджуються і утворюють кристали різних видів.

Кристали можуть мати всілякі форми. Усі відомі в світі кристали можуть бути розділені на 32 види, які у  свою чергу можуть бути згруповані в шість видів. Кристали можуть мати і різні розміри. Деякі мінерали утворюють кристали, які розгледіти можна тільки за допомогою мікроскопа. Інші ж утворюють кристали, вага яких становить кілька сотень фунтів.

 

1.2 Як вирощують кристали

Великі поодинокі кристали, які  мають свою правильну форму, в природі зустрічаються дуже рідко. Але такий кристал можна виростити в штучних умовах.

Кристалізація може відбуватися з  розчину, розплаву, а також з газоподібного стану речовини. Розглянемо кристалізацію з розплаву. Для того, щоб виростити один монокристал, застосовується наступний спосіб. Тигель з розплавом повільно опускається крізь отвір у вертикальній трубчастій печі. Кристал зароджується на дні тигля, так як воно раніше потрапляє в область більш низьких температур, а потім поступово розростається по всьому об'ємі розплаву. Дно тигля спеціально роблять вузьким, загостреним на конус, щоб у ньому міг розташуватися тільки один кристалічний зародок. Цей спосіб часто застосовується для вирощування кристалів цинку, срібла,алюмінію, міді та інших металів, а також хлористого натрію, бромистого калію, фтористого літію та інших солей. За добу можна виростити кристал кам'яної солі масою близько кілограма.

Другий спосіб: Найтонший порошок  оксиду алюмінію з зерен розміром 2 - 100 мкм висипається тонким струменем з бункера, проходить через киснево-водневе полум'я, плавиться і у вигляді крапель потрапляє на стрижень з тугоплавкого матеріалу. Температура стрижня підтримується трохи нижче температури (20-30). Краплі окису алюмінію охолоджуються на ньому і утворюють кірку спеченої маси корунду. Часовий механізм повільно (10-20мм/г)опускає стрижень, і на ньому поступово виростає необмежений кристал корунду.

Тепер розглянемо кристалізацію з  розчину.  У даному обсязі тієї чи іншої рідини при постійній температурі й тиску може розчинитися не більше певної кількості того чи іншої кристалічної речовини. Отриманий при цьому розчин називають насиченим. Кристал, поміщений в насичений розчин, не буде ні рости, ні розчинятися в ньому. Якщо підвищити температуру рідини, то розчинність її підвищується, тому що є кількість розчиненого речовини вже не буде насичувати розчин. Кристал, поміщений в розчин ненасичений, почне в ньому розчинятися. Якщо насичений розчин охолодити, він стане пересиченим. Пересичені розчини можуть зберігатися у замкнутих посудинах довгий час, не кристалізуючись. Однак достатньо потрапити в розчин найменшої частинки кристала, як розчин негайно почне кристалізуватися.

Таким чином, пересичені розчину є  необхідним, але достатньою умовою для кристалізації. Щоб розпочалася кристалізація, потрібно внести в розчин затравки - невеликий кристал розчиненої речовини.

З розчину кристал  вирощують звичайно таким чином: спочатку у воді розчиняють достатню кількість кристалічної речовини. При цьому розчин підігрівають до тих пір, поки речовина повністю не розчиниться. Потім розчин повільно охолоджують, переводячи її тим самим на пересичений стан. У пересичені розчин підмішують затравки.

Якщо, протягом усього часу кристалізації, підтримувати температуру і щільність розчину однаковими у всьому обсязі, то в процесі росту кристал візьме правильну форму.

Зробимо досвід:

Закип'ятити 400г. води і  розчиняється в ній 400г. мідного купоросу.  
Гарячий розчин відфільтровує через фільтр, і розчин охолоджується до кімнатної температури. У цей час на дріт наметовому нитку і приклеюємо маленький кристалик. І опускаємо нашу фігурку в пересичені розчин. Через добу ми бачимо, що наша фігурка обліплена кристалами.

Зробимо такий же розчин тільки з солі: 1 кг солі на 500л води і опустимо поліетиленову ялинку. Побачимо, що вся ялинка схожа на обсипану снігом ялину.

На форму кристала, що отримується з розчину, впливають  багато факторів: конвекційні потоки рідини, ступінь пересичення рідини, наявність домішок і т.д.

Ступінь переохолодження  розчину значно змінює форму кристалів.  
У сильно переохолоджених рідинах кристали ростуть завжди у вигляді химерної сукупності довгих голок. Кристали утворюються також безпосередньо з пари або газу. При охолодженні газу електричні сили тяжіння об'єднують атоми або молекули в кристалі твердої речовини. Так утворюються сніжинки. Повітря, що містить вологу, охолоджується, і прямо з нього виростають сніжинки тієї чи іншої форми.

Один із експонатів унікальної колекції великих кристалів, придбаної в Бразилії французьким національним музеєм природної історії.

Умови освіти гігантських  кристалів і їх походження до цих  пір не знаходять досить повного пояснення. Дивно вже й те, що великі кристалізації завжди сконцентровані в особливих формацій - в так званих пегматитові жилах. В точному визначенні пегматіти - різнозернистие, головним чином грубозернисті породи магматичного походження. Пегматіти характеризуються дуже різноманітним і складним мінеральним складом, що включає поряд з мінералами спільними з материнською магматичної породою (кварц, польовий шпат, слюда) також рідкісні і розсіяні елементи (літій,берилій, цезій, ніобій, тантал, рубідій та інші). Пегматитові породи - джерело багатьох корисних копалин.

В особливих умовах кристалізації розплавленої магми, коли застигання відбувалося на помірних глибинах, досить повільно і в спокійній обстановці, утворювалися пегматитові жили, які містять порожнини, сприятливі для формування великих кристалів. Ось у цих-то пегматитах і можна виявити кристали багатьох дорогоцінних мінералів: берілли, самі різноманітні гранати, сподумени, турмаліни, евклази, топази.

Величезна величина кристалів - найбільш вражаюча риса пегматитовіжив. Тут зустрічаються воістину кристали-гіганти. Так, кристал димчастого гірського кришталю, представлений у французькій колекції, важить 40-50 кілограмів. Найбільшим кристалом світу вважається знайдений на Мадагаскарі кристал берилу масою 380 тонн, довжиною 18 метрів і 3,5 метра в поперечнику.

 

 

 

2 ПРАКТИЧНА ЧАСТИНА

 

2.1 Процес вирощування кристалів.

 

Процес вирощування  кристалів в ізводних розчинах не являється особливо складним процесом, але він потребує певних та послідовних дій, які забезпечать правильний та швидкий ріст.

Перед тим, як вирощувати основний кристал, нам знадобиться “затравка”. В якості “затравки” візьмемо невеликий кристал. Звичайно, можна взяти дрібні кристали, які знаходяться в самій банці з мідним купоросом. Але для реакції вони занадто дрібні. Тому потрібно просто налити в невелику чисту ємність концентрованого розчину купоросу.  Після добового очікування на дні ємності утвориться велика кількість дрібних кристалів, які і будуть використовуватись в якості “затравки”. З цієї кількості кристалів необхідно вибрати кристал, форма якого буде сама правильна. Кристал який ми будемо використовувати в якості “затравки” необхідно закріпити на нитці, яку потім потрібно буде закріпити в банці з купоросом.

Для проведення реакції  нам потрібна ємність. Ємність заповнимо  водою. Для кращого і швидкого росту кристалу, воду потрібно нагріти до температури 75-85^оС. Коли вода нагріється до потрібної нам температури, у воду засипається розчин мідного купоросу. Розчин купоросу засипаємо в ємність із розігрітою водою до тих пір, поки на дні ємності не утвориться осад. Якщо на дні утворюється осад мідного купоросу, то це означає що у банці міститься достатня його кількість. Після цього, розчин потрібно перелити в іншу ємність таким чином, щоб в одній банці залишився осад, який не розчинився, а в іншій банці потрібний нам розчин, тобто розчин який не містить великого осадку на дні банки.

Коли банка з розчином готова, в неї поміщаємо “затравку”, яка буде закріплена на нитці. При переміщенні “затравки” в ємність з мідним купоросом, відбувається хімічна реакція, при якій формується кристал, тобто на “затравці” усаджуються частинки мідного розчину і при цьому, відбувається ріст кристалу.