ISSN 0351-6652 Letnik 29 (2001/2002) Številka 4 Strani 226-230
Branislav Čabric in Aco Janicijevic, prev. Marija Vencelj:
MONOKRISTALI
Ključne besede: fizika, kristalografija, kristali, kal, rast, razpad. Elektronska verzija:
http://www.presek.si/29/1482-Cabric-Janicijevic.pdf
© 2002 Društvo matematikov, fizikov in astronomov Slovenije © 2010 DMFA - založništvo
MONOKRISTAU
Izmed treh agregatnih stanj, v katerih se lahko nahaja snov, je kristalno stanje najstabilnejše in najbolj urejeno. Kristal1 je skupina atomov, katerih položaj v kristalni mreži2 je položaj z najnižjim energetskim potencialom, t.j. prosta energija sistema atomov oz. molekul je minimalna. Kristali imajo ostro določeno tališče za razliko od amorfnih snovi, ki so pravzaprav podhlajene kapljevine ,
Da bi razložili proces vzgoje in rasti kristalov, moramo odgovoriti na tri vprašanja:
1.	Kako nastane kristalna kal4 znotraj homogenega stanja?
2.	Kako poteka rast kristalov (kinetika kristalizacije)? Kako poteka proces razpadanja kristalov?
Vemo, da v nekaterih snoveh kristalne kali zlahka nastajajo in da je taline takih snovi praktično nemogoče podhladiti oz. prenasičiti njihove raztopine. Po drugi strani pa je oblikovanje kristalnih kali pri nekaterih snoveh povezano s precejšnjimi težavami. Lahko rečemo, da je bil v teoriji nastajanja kristalnih kali dosežen določen napredek, vendarle popolnega odgovora še ni. Vedeti moramo, da igra prisotnost netopnih primesi veliko vlogo pri oblikovanju kali iz talin in iz raztopin. Primesi različno vplivajo na nastajanje kali; največji učinek imajo izomorfne primesi.
Pri študiju kinetike kristalizacije moramo ločiti med dvema pomembnima pojmoma: hitrostjo nastajanja kristalnih kali in hitrostjo rasti kristalov. Hitrost nastajanja kali je število nastalih kali v prostorski enoti na časovno enoto. Hitrost rasti kristala je sprememba velikosti kristala v časovni enoti.
Monokriatal je kristal, ki se razvije iz ene same kali.
1	Kristal je trdno t.elo iz čiste snovi z ravnimi mejnimi ploskvami, ki se sekajo pod stalnimi, natanko določenimi koti. Zunanja oblika kristala odraža periodično urejeno notranjo zgradbo, ki jo podaja kristalna mreža, sestavljena iz enakih gradbenih enot, atomov, ionov ali molekul. Nastajajo in rastejo iz prenasičenih raztopin, podhlajenih talin in pri zgoščevanju hlapov (op. prev.).
2	Kristalna mreža je prostorska mreža točk. razporejenih na ustrezajočih si krajih v kristalu (op. prev.),
3	Te se ob višanju temperature postopno mehčajo (op. prev.).
4	Kristalna kal ali kristalna klica je drobec kristala koloidne velikosti (med 1 nm in 100 nm), na katerem se nadaljuje rast kristala (op. prev.).
5	Izomorfija je lastnost kemično različnih spojin, da kristalizirajo v enaki kristalni obliki (op. prev.).
Dandanes postajajo m on ok ris t al i čedalje pomembnejši, tako v osnovnih raziskavah kot za tehnično rabo. Prav raziskovanje monokristalov je povzročilo ogromen napredek v fiziki in kemiji trdne snovi. Prav tako pa številni industrijsko tehnični izdelki temelje na uporabi monokristalov.
Omenimo le nekaj najpomembnejših primerov uporabe pri raziskavah snovi:
•	Snovne konstante6 kristalov lahko natančno določimo le na monokri-stalili. To še posebej velja za anizotropne' lastnosti kristalov.
•	Trdoto t.rdnine lahko določamo izključno na monokristalih.
•	Obnašanje polprevodnikov so lahko razložili šele potem, ko jim je uspelo dobiti monokristale zelo čistega germanija8.
•	Proučevanje t.i. barvnih centrov, ki so v tesni zvezi s pojavi v polprevodnikih, poteka samo na monokristalih.
•	Monokristali so nujno potrebni pri raziskavah prevodnosti in super-prevodnosti kovin.
•	Včasih so potrebni j>ri študiju kemijskih procesov in kemijske kine-tike9 v trdni snovi.
Nič manjše vloge nimajo monokristali v tehniki:
•	Iz njih izdeljujejo razne optične elemente: prizme (NaCl, KBr), okenca (KBr, CsBr), leče, filtre, polarizatorje (kvarc) itd.
•	Uporabljajo jih kot monokroinatorje10 za rentgensko svetlobo.
•	Velik pomen imajo v jedrski fiziki, kjer jih uporabljajo za detekcijp in spektrometri j o ionizirajočega sevanja.
6 Snovne konstante so npr. gostota, prožnostni modul, lomni količnik, toplotna prevodnost (op. prev.)
' Anizotropnost je pojav, da je kaka količina odvisna od smeri (lomni količnik, toplotna prevodnost, itd.) (op. prev.),
8	Glej prispevek J. Str nad a Elektroni in vrzeli v polprevodniku s primesjo v 5. številki 27. letnika. Preseka {op. prev.).
9	Kemijska kinetika je področje fizikalne kemije, ki se ukvarja s proučevanjem kemijskih reakcij v odvisnosti od reakcijskih pogojev, npr, od tlaka, temperature, koncentracije, katalizatorjev ipd. (op. prev.).
10 Monokroinatorje optična naprava, s katero dobimo iz mešane svetlobe enobarvno svetlobo (op, prev.).
okolje rasti	območje uporabe (temperatura in pritisk)	naprava	kontrola razvoja
povečanje kristalov v trdnem stanju	zelo omejeno (do tališča)	enostavna	slaba
raztopine (voda, organske raztopine)	omejeno (do vrelišča)	enostavna do srednje zapletena	zelo dobra
raztopine v talini (miner alizafcorj i)	delno omejeno (do 1800° C)	enostavna	slaba
hidrotermalna sinteza	delno omejeno (do 5000 at)	zapletena	zelo težka
sinteza pri srednjem pritisku	omejeno (do 250 at)	zapletena	težka
sinteza pri visokem pritisku	delno omejeno (do 100 000 at)	zapletena in zelo zapletena	ni mogoča
talina (stacionarna)	delno omejeno (do 1600°C)	enostavna	zadovoljiva
talina (nes tac io nama)	delno omejeno (do 1300° C)	enostavna do srednje zapletena	dobra
talina (metoda brez talilnika)	omejeno (do 2500°C)	srednje zapletena	težka
consko taljenje	omejeno (do 1300° C)	srednje zapletena	dobra,
plinsko stanje	omejena (do 1800°C)	enostavna	slaba
Tabela 1, Primerjava metod za vzgojo kristalov.
• Posebej velika je uporaba monokristalov v elektrotehniki. Piezoelektrične11 kristale uporabljajo kot oddajnike in detektorje električnih signalov, nadalje kot frekvenčne stabilizatorje, električne filtre12 itd.
11	PiezoelektriCnost j': lastnost nekaterih kristalov, da nastane ob natezanju ali stiskanju med izbranima mejnima ploskvama električna napetost (op. prev.).
12	Električni filter je naprava, ki prepušča izmenični tok s frekvenco na izbranem območju in ne prepušča toka zunaj tega območja (op. prev.).
lutrost rasti	velikost kristalov	kvaliteta kristalov	snovi, ki lahko kristalizirajo
majhna	zelo majhni	nizka	kovine
zelo majhna	zelo veliki	visoka	fosfati, sulfati glikonati, t ar trati
srednja do velika	majhni	nizka	kovine, oksidi, feriti silikati, titanati
zelo majhna	večji	visoka	oksidi, silikati sulfidi
srednja	srednji do veliki	zadovoljiva	sulfidi
zelo velika	zelo majhni	nizka.	diamant, oksidi
srednja do velika	srednji	visoka	kovine, oksidi, silikati, halogenidi. organske spojine
srednja, do velika	večji	visoka do zelo visoka	kovine, IH/IV-spojine, oksidi, silikati, halogenidi, organske spojine
velika	večji	zadovoljiva do visoka	oksidi, feriti titanati, volframati
velika	srednji do veliki	visoka do zelo visoka	kovine, lll/V-spojine, organske spojine
velika	majhni do srednji	zadovoljiva do nizka	kovine, oksidi halogenidi
(nadaljevanje tabele s str. 228)
Uporaba polprevodiiih monokristalov stalno narašča: za izdelavo tranzistorjev, usmernikov, te rini sto rje v in detektorjev infrardečega sevanja. V zadnjem času je odkritje pojava spodbujenega elektromagnetnega sevanja še razširilo področje uporabe monokristalov in odločilno vplivalo na razvoj novili in izpopolnjevanje starih metod za pridobivanje monokristalov.
• Velik potrošnik sintetičnih monokristalov je tudi draguljarstvo.
Težko je reči, kdo in kdaj je prvi začel pridobivati monokristale v laboratoriju, Že AristoteJ omenja pridobivanje kristalov kuhinjske soli in Belimus pridobivanje kristalov bakrovega sulfata z izparevanjein vodnih raztopin teh soli. Študij zunanjih geometrijskih oblik kristalov sega v sredino 17. stoletja. V tem času začenja tudi posnemanje naravnih pogojev za vzgojo in rast kristalov v laboratoriju. Tako je Robert Boyle odkril, da dodatek primesi spremeni videz kristala. V 19, stoletju so se v Franciji veliko ukvarjali s pridobivanjem kristalov dragih kamnov iz različnih mineralizatorjev. Kot naravno nadaljevanje teh raziskav je Verneui] izdelal fuzijsko metodo (s plamenom) za pridobivanje korundovih kristalov. Verneuilova metoda pomeni začetek sodobnega pridobivanja optičnih, elektroakustičnih, polprevodniških, laserskih in drugih kristalov z določenimi fizikalnimi in kemičnimi lastnostmi.
Monokristale lahko pridobivamo na tri bistveno različne načine: s kristalizacijo iz trdnega, kaplje vinskega ah plinskega stanja. V okviru teh treh možnosti so izdelali vrsto metod, ki jih prikazuje tabela L Navadno lahko posamezno snov kristaliziramo na več načinov. Izbira najugodnejše metode je odvisna od več parametrov. Najpomembnejša je narava snovi, ki jo želimo kristalizirati, nato njene fizika!no-kemične lastnosti, pa namen, za katerega bomo kristal uporabili, t.j. zaželena kvaliteta, in nazadnje sredstva, ki so nam na voljo.
Branislav Cabrič in Aco Janičijevič, prev. Marija Vencelj