kristalo augimas

kristãlo augmas, kristalizãcija, kristalo susidarymas. Natūraliomis sąlygomis mineralų monokristalai susiformuoja lėtai šąlant tirpalams ar tirpalų mišiniams giliai žemėje. Jei tokie tirpalai išmetami su vulkanine lava ir greitai atšąla, stiklų ar dervų akmenyse susidaro polikristalai. Sintetiniai monokristalai auginami iš garų, tirpalų, lydalų, kietųjų medžiagų. Kristalas auga ir palengva įgauna būdingą briaunainio formą, kai prie kristalo užuomazgos prisijungia atomų, jonų, molekulių ar dalelių sudėtingesnių fragmentų iš persotintosios medžiagos. Kristalizuojant medžiagą iš garų fazės sudaroma šaltinio zona (vieta, kurioje garinama medžiaga), garų pernašos zona (temperatūros ar garų slėgio gradientas, nešamosios dujos), kristalo augimo zona (vieta, kur kristalizuojasi medžiaga – kvarcinės ampulės sienelės, kristalo užuomazga). Monokristalai iš garų fazės dažniausiai auginami 2 būdais: uždarose kvarcinėse ampulėse arba vamzdžiuose su juose sklindančiu dujų srautu. Užlydyta ampulė su viduje esančia medžiaga (polikristaliniai švino telūridas PbTe, kadmio sulfidas CdS, cinko selenidas ZnSe) dedama į vertikalią krosnį su temperatūros gradientu taip, kad šaltinio zonos temperatūra būtų aukštesnė. Esant temperatūros skirtumui garai nešami į šaltesnį ampulės galą, kur kondensuojasi ant ampulės sienelės ar ten įtaisytos orientuotos kristalo užuomazgos. Taip auginami, pvz., švino selenido PbSe monokristalai; tam tikromis sąlygomis per parą ampulėje ant orientuotos kristalo užuomazgos išauga iki 30 g masės monokristalas. Panašiai kristalą galima auginti ir horizontaliame kvarciniame vamzdyje, tik garams nešti į šaltesnę zoną naudojamos inertinės dujos. Kristalai iš tirpalų dažniausiai auginami 2 metodais: izotermine kristalizacija (proceso metu pastovi temperatūra) ir izohidridine kristalizacija (pastovus tirpalo kiekis). Pirmuoju metodu auginami kristalai tų medžiagų, kurių tirpumas nelabai priklauso nuo temperatūros; jie auginami garinant prisotintą tirpalą pastovioje temperatūroje. Kai medžiagos tirpumas tirpiklyje labai priklauso nuo temperatūros, kristalai auginami aušinant karštus tirpalus ir palaikant pastovų tirpalo kiekį. Kristalizacija iš lydalų dažniausiai taikoma techninių puslaidininkių, metalų, oksidų, chalkogenidų kristalams auginti. Šio būdo pagrindinis pranašumas – didelis kristalų augimo greitis. Monokristalų auginimo iš lydalo būdai skirstomi į 2 grupes: kai lydalo tūris didelis (Kiropulo, Czochralskio, Stockbargerio, Bridgmano būdai), kai mažas (Verneuil’aus ir zoninis lydymas). Czochralskio, arba traukimo iš lydalo, būdu dažniausiai auginami puslaidininkiniai monokristalai. Į kvarcinį ar grafitinį tiglį įdėta polikristalinė medžiaga (Si, galio arsenidas GaAs) iš pradžių išlydoma, po to prie specialaus laikiklio pritvirtinta kristalo užuomazga (jos temperatūra žemesnė už lydalo) panardinama į lydalą ir sukant apie vertikalią ašį lėtai (0,03–0,15 m/h) traukiama ir ant jos formuojasi monokristalas. Jis auga, nes susidaranti kietoji fazė dėl paviršiaus įtempio jėgų traukia naujus lydalo sluoksnius. Šiuo būdu išauginami tobulos struktūros monokristalai. Keičiant lydalo temperatūrą ir augimo greitį galima keisti kristalo išvaizdą, išauginti kristalus su mažu dislokacijų skaičiumi. Stockbargerio ir Bridgmano, arba orientuotosios kristalizacijos, būdu kristalizuojamas visas lydalo tūris, dažniausiai esantis cilindro formos konteineryje, kuris traukiamas krosnyje į žemesnės temperatūros zoną. Išauginti monokristalai gali turėti priemaišų, juos šaldant gali atsirasti mechaninių įtempių. Verneuil’aus, arba lydymo liepsnoje, būdu auginami aukštos lydymosi temperatūros (2000 °C), pvz., rubino, MgAl₂O₄, TiO₂, monokristalai. Pradinės medžiagos milteliai išlydomi dujinio degiklio liepsna, išsilydę nukrinta ant orientuotos užuomazgos, specialiu įtaisu lėtai slenkančios į žemesnės temperatūros zoną krosnyje, kurioje kristalizuojasi plonas lydalo sluoksnis. Išauginami iki 500 mm ilgio monokristaliniai strypeliai. Zoninio lydymo, arba kristalo gryninimo, metodas yra vienas pagrindinių puslaidininkinių monokristalų auginimo būdų, nes juo vienu metu suderinami trys procesai: medžiagos sintezė, gryninimas ir auginimas. Visi jie atliekami sandariame reaktoriuje. Pradinis polikristalinės medžiagos ruošinys, įtvirtintas tarp vandeniu aušinamų laikiklių (prie vieno yra kristalo užuomazga), sukamas 30–50 min^–1 greičiu. Kristalo užuomazga yra taške, kur sukuriama pradinė išlydymo zona, o jai judant išilgai ruošinio monokristalas auga kaip užuomazgos tęsinys. Galima užauginti labai švarų kristalą, nes procesą galima kartoti kiekvieną kartą vis labiau sumažinant priemaišų tankį. Metalų, puslaidininkių, organinių junginių nanokristalai (matmenys nuo 1 iki 100 nm) formuojami lydalo greitojo šaldymo metodu, persotintųjų joninių tirpalų kristalizacija dielektrinėse matricose, nusodinimu iš garų fazės, molekulių pluoštelio būdu, lazeriniu dulkinimu, tirpalų pirolize, didelės dozės jonų implantavimu, magnetroniniu dulkinimu, zolio‑gelio technologija, elektrocheminio ėsdinimu. Fotoninių kristalų – sintetinių opalų – auginimo technologiją sudaro trys etapai: monodispersinių silicio oksido dalelių sudarymas, dalelių glaudinimas, opalo sintezė. Pirmiausia tetraetoksisilanas, etanolis, distiliuotas vanduo ir amonio hidroksidas 3–5 h maišomi magnetine maišykle. Vykstant dalinei tetraetoksisilano hidrolizei ir kondensacijai koloidiniame tirpale pagal technologines sąlygas susiformuoja silicio oksido (200–400) nm dalelės. Dalelės dažniausiai glaudinamos gravitacijos lauke (laisvuoju dalelių kritimu). Sintetinio opalo kristalas auga iš tų dalelių vandeninio tirpalo, krintant dalelėms ant dugno ir joms sudarant kubinį ar heksagoninį kristalą. Kristalas sintetinamas 800–900 °C temperatūroje 2–3 h. Sintetinių opalų optinės savybės keičiamos įterpiant metalų, puslaidininkių ar organinių junginių nanodarinių. Biologiniai kristalai auginami iš garų fazės arba tirpalų. Auginant iš baltymo tirpalo naudojamas kristalizuojantis priedas. Šildant tirpalą baltymo koncentracija didėja, ant kristalizuojančiojo priedo susidaro užuomazgos ir pradeda augti kristalas. Baltymo kristalai išauga apie (0,3–1,0) mm dydžio.