отдельный однородный кристалл, имеющий непрерывную кристаллическую решётку и характеризующийся анизотропией (См.
Анизотропия) свойств (см.
Кристаллы)
. Внешняя форма М. обусловлена его атомнокристаллической структурой и условиями кристаллизации (См.
Кристаллизация)
. Часто М. приобретает хорошо выраженную естественную огранку, в неравновесных условиях кристаллизации огранка проявляется слабо. Примерами огранённых природных М. могут служить М.
Кварца
, каменной соли (См.
Каменная соль)
, исландского шпата (См.
Исландский шпат)
, Алмаза
, Топаза
. От М. отличают
Поликристаллы
и поликристаллические агрегаты, состоящие из множества различно ориентированных мелких М.
М. ценны как материал, обладающий особыми физическими свойствами. Например, алмаз и боразон предельно тверды,
Флюорит прозрачен для широкого диапазона длин волн,
Кварц - пьезоэлектрик (см.
Пьезоэлектричество)
. М. способны менять свои свойства под влиянием внешних воздействий (света, механических напряжений, электрических и магнитного полей, радиации, температуры, давления). Поэтому изделия и элементы, изготовленные из М., применяются в качестве различных преобразователей в радиоэлектронике, квантовой электронике (См.
Квантовая электроника)
, акустике, вычислительной технике и др. Первоначально в технике использовались природные М., однако их запасы ограничены, а качество не всегда достаточно высоко. В то же время многие ценные свойства были найдены только у синтетических кристаллов. Поэтому появилась необходимость искусственного выращивания М. Исходное вещество для выращивания М. может быть в твёрдом (в частности, в порошкообразном), жидком (расплавы и растворы) и газообразном состояниях.
Известны следующие методы выращивания М. из расплава: а) Стокбаргера; б) Чохральского; в) Вернейля; г) зонной плавки (См.
Зонная плавка)
. В методе Стокбаргера тигель с расплавом
1 перемещают вдоль печи
3 в вертикальном направлении со скоростью 1-20
мм/ч (
рис. 1). температура в плоскости диафрагмы
6 поддерживается равной температуре кристаллизации вещества. Т. к. тигель имеет коническое дно, то при его медленном опускании расплав в конусе оказывается при температуре ниже температуры кристаллизации, и в нём происходит образование (зарождение) мельчайших кристалликов, из которых в дальнейшем благодаря геометрическому отбору выживает лишь один. Отбор связан главным образом с анизотропией скоростей роста граней М. Этот метод широко используется в промышленном производстве крупных М. флюорита, фтористого лития, сернистого кадмия и др.
В методе Чохральского М. медленно вытягивается из расплава (
рис. 2). Скорость вытягивания 1-20
мм/ч. Метод позволяет получать М. заданной кристаллографической ориентации. Метод Чохральского применяется при выращивании М. иттриево-алюминиевого граната, ниобата лития и полупроводниковых М. А. В.
Степанов создал на основе этого метода способ для выращивания М. с сечением заданной формы, который используется для производства полупроводниковых М.
Метод Вернейля бестигельный. Вещество в виде порошка (размер частиц 2-100
мкм) из бункера
1 (
рис. 3) через кислородно-водородное пламя подаётся на верхний оплавленный торец затравочного монокристалла
2, медленно опускающегося с помощью механизма
5. Метод Вернейля - основной промышленный метод производства тугоплавких М.:
Рубина
, шпинелей (См.
Шпинели)
, Рутила и др.
В методе зонной плавки создаётся весьма ограниченная по ширине область расплава. Затем благодаря последовательному проплавлению всего слитка получают М. Метод зонного проплавления получил широкое распространение в производстве полупроводниковых М. (В. Дж. Пфанн, 1927), а также тугоплавких металлический М.
Молибден, Вольфрам и др.
Методы выращивания из раствора включают 3 способа: низкотемпературный (растворители: вода, спирты, кислоты и др.), высокотемпературный (растворители: расплавленные соли и др.) и гидротермальный. Низкотемпературный кристаллизатор представляет собой сосуд с раствором 1, в котором создаётся пересыщение, необходимое для роста кристаллов 2 путём медленного снижения температуры, реже испарением растворителя (рис. 4). Этот метод используется для получения крупных М. сегнетовой соли, дигидрофосфата калия (KDP), нафталина и др.
Высокотемпературный кристаллизатор (рис. 5) содержит тигель с растворителем и кристаллизуемым соединением, помещенный в печь. Кристаллизуемое соединение выпадает из растворителя при медленном снижении температуры (раствор-расплавная кристаллизация). Метод применяется для получения М. железоиттриевых гранатов, слюды, а также различных полупроводниковых плёнок.
Гидротермальный синтез М. основан на зависимости растворимости вещества в водных растворах кислот и щелочей от давления и температуры. Необходимые для образования М. концентрация вещества в растворе и пересыщение создаются за счёт высокого давления (до 300 Мн/м2 или 3000 кгс/см2) и перепадом температуры между верхней (T1 Монокристалл 250°C) и нижней (Т2 Монокристалл 500 °С) частями автоклава (рис. 6). Перенос вещества осуществляется конвективным перемешиванием. Гидротермальный синтез является основным процессом производства М. кварца.
Методы выращивания М. из газообразного вещества: испарение исходного вещества в вакууме с последующим осаждением пара на кристалл, причём осаждение поддерживается определённым перепадом температуры
Т (
рис. 7, а); испарение в газе (обычно инертном), перенос кристаллизуемого вещества осуществляется направленным потоком газа (
рис. 7, б); осаждение продуктов химических реакций, происходящих на поверхности затравочного М. (
рис. 7, в). Метод кристаллизации из газовой фазы широко используется для получения монокристальных плёнок и микрокристаллов для интегральных схем (См.
Интегральная схема)
и др. целей.
Выбор метода выращивания М. определяется требованием к качеству М. (количество и характер присущих М. дефектов). Различают макроскопические дефекты (инородные включения, блоки, напряжения) и микроскопические (
Дислокации, примеси, вакансии (См.
Вакансия)
; см.
Дефекты в кристаллах)
. Существуют специальные методы уменьшения числа дефектов в М. (отжиг, выращивание М. на бездефектных затравочных кристаллах и др.).
При выращивании М. используются различные способы нагревания: омический, высокочастотный, газопламенный, реже плазменный, электроннолучевой, радиационный (в т. ч. лазерный) и электродуговой.
Лит.: Бакли Г., Рост кристаллов, пер. с англ., М., 1954; Лодиз Р. А., Паркер Р. Л., Рост монокристаллов, пер. с англ., М., 1973; Маллин Дж., Кристаллизация, пер. с англ., М., 1966; Шубников А. В., Образование кристаллов, М. - Л., 1947; его же, Как растут кристаллы, М. - Л., 1935; Пфанн [В. Дж.], Принципы зонной плавки, в кн.: Германий, сб. переводов, М., 1955 (Редкие металлы), с. 92. См. также лит. при ст.
Кристаллизация.
Х. С. Багдасаров.
Рис. 1. Схема аппарата для выращивания монокристаллов по методу Стокбаргера: 1 - тигель с расплавом; 2 - кристалл; 3 - печь; 4 - холодильник; 5 - термопара; 6 - диафрагма.
Рис. 2. Схема аппарата для выращивания монокристаллов по методу Чохральского: 1 - тигель с расплавом; 2 - кристалл; 3 - печь; 4 - холодильник; 5 - механизм вытягивания.
Рис. 3. Схема аппарата для выращивания монокристаллов по методу Вернейля: 1 - бункер; 2 - кристалл; 3 - печь; 4 - свеча; 5 - механизм опускания; 6 - механизм встряхивания.
Рис. 4. Схема низкотемпературного кристаллизатора: 1 - раствор; 2 - кристалл; 3 - печь; 4 - термостат; 5 - мешалка; 6 - контактный термометр; 7 - терморегулятор.
Рис. 5. Схема высокотемпературного кристаллизатора: 1 - раствор; 2 - кристалл; 3 - печь; 4 - тигель.
Рис. 6. Схема автоклава для гидротермального синтеза: 1 - раствор; 2 - кристалл; 3 - печь; 4 - вещество для кристаллизации.
Рис. 7. Схема установки для кристаллизации из газовой фазы; пунктиром показано распределение температуры вдоль печи.
![додекагидрата сульфата алюминия-калия]]](https://commons.wikimedia.org/wiki/Special:FilePath/Alumiiniumkaaliumsulfaati monokristall.jpg?width=200 "додекагидрата сульфата алюминия-калия]]")
![пентагидрата сульфата меди(II)]]](https://commons.wikimedia.org/wiki/Special:FilePath/Blue vitriol monocrystal.jpg?width=200 "пентагидрата сульфата меди(II)]]")
