Что такое монокристаллы и поликристаллы

Моно- и поликристаллы

Твердые тела (кристаллы) характеризуются наличием значительных сил межмолекулярного взаимодействия и сохраняют постоянными не только свой объем, но и форму. Кристаллы имеют правильную геометрическую форму, которая является результатом упорядоченного расположения частиц (атомов, молекул, ионов), составляющих кристалл. Структура, для которой характерно регулярное расположение частиц с периодической повторяемостью в трех измерениях, называется кристаллической решеткой. Точки, в которых расположены частицы, а точнее — точки, относительно которых частицы совершают колебания, называются узлами кристаллической решетки.

Кристаллические тела можно разделить на две группы: монокристаллы и поликристаллы. Монокристаллы — твердые тела, частицы которых образуют единую кристаллическую решетку. Кристаллическая структура монокристаллов обнаруживается по их внешней форме. Хотя внешняя форма монокристаллов одного вида может быть различной, но углы между соответствующими гранями у них остаются постоянными. Это закон постоянства углов, сформулированный М.В.Ломоносовым. Он сделал важный вывод, что правильная форма кристаллов связана с закономерным размещением частиц, образующих кристалл. Монокристаллами являются большинство минералов. Однако крупные природные монокристаллы встречаются довольно редко (например, лед, поваренная соль, исландский шпат). В настоящее время многие монокристаллы выращиваются искусственно. Условия роста крупных монокристаллов (чистый раствор, медленное охлаждение и т. д.) часто не выдерживаются, поэтому большинство твердых тел имеет мелкокристаллическую структуру, т. е. состоит из множества беспорядочно ориентированных мелких кристаллических зерен. Такие твердые тела называются поликристаллами (многие горные породы, металлы и сплавы).

Характерной особенностью монокристаллов является их анизотропность, т. е. зависимость физических свойств —упругих, механических, тепловых, электрических, магнитных, оптических — от направления. Анизотропия монокристаллов объясняется тем, что в кристаллической решетке различно число частиц, приходящихся на одинаковые по длине, но разные по направлению отрезки (рис. 102), т. е. плотность расположения частиц кристаллической решетки по разным направлениям не одинакова, что и приводит к различию свойств кристалла вдоль этих направлений. В поликристаллах анизотропия наблюдается только для отдельных мелких кристалликов, но их различная

ориентация приводит к тому, что свойства поликристалла по всем направлениям в среднем одинаковы.

2. Типы кристаллических твердых тел

Существует два признака для классификации кристаллов: 1) кристаллографический; 2) физический

I. Кристаллографический признак кристаллов. В данном случае важна только пространственная периодичность в расположении частиц, поэтому можно отвлечься от их внутренней структуры, рас сматривая частицы как геометрические точки.

Кристаллическая решетка может обладать различными видами симметрии. Симметрия кристаллической решетки — ее свойство совмещаться с собой при некоторых пространственных перемещениях, например параллельных переносах, поворотах, отражениях или их комбинациях и т.д. Всякая пространственная решетка может быть составлена повторением в трех различных направлениях одного и того же структурного элемента — элементарной ячейки. Всего существует 14 типов решеток Бравэ, различающихся по виду переносной симметрии. Они распределяются по семи кристаллографическим системам, или сингониям, представленным в порядке возрастающей симметрии в табл. 3. Для описания элементарых ячеек пользуются кристаллографическими осями координат, которые проводят параллельно ребрам элементарной ячейки, а начало координат выбирают в левом углу передней грани элементарной ячейки. Элементарная кристаллическая ячейка представляет собой параллелепипед, построенный на ребрах а, 6, с с углами a, β и γ между ребрами (табл. 3). Величины а, b и с и a, β и γ называются параметрами элементарной ячейки и однозначно ее определяют.

Для задания направления в кристалле достаточно задать координаты любого атома тройкой целых чисел, заключенных в скобки (x,y,z). Если плоскость параллельна какой-либо из координатных осей, то индекс, соответствующей этой оси равен нулю. Основные кристаллографические плоскости кубической решетки показаны на рисунке 2.2.

Рис.2.2. – Основные кристаллографические плоскости кубической решетки

Кристалл кремния (кристалл с кубической решеткой) имеет три кристаллографические плоскости (100, 11О, 111):

а) — кристаллографические плоскости, 6) — расположение атомов в кристаллографических плоскостях

2. Физический признак кристаллов. В зависимости от рода частиц, расположенных в узлах кристаллической решетки, и характера сил взаимодействия между ними кристаллы разделяются на четыре типа: ионные, атомные, металлические, молекулярные.

Атомные кристаллы. В узлах кристаллической решетки располагаются нейтральные атомы, удерживающиеся в узлах решетки гомеополярными, или ковалентными, связями квантово-механического происхождения (у соседних атомов обобществлены валентные электроны, наименее связанные с атомом). Атомными кристаллами являются алмаз и графит (два раз- личных состояния углерода), некоторые неорганические соединения (ZnS, BeO и т.д.), а также типичные полупроводники — германий Ge и кремний Si. Валентные связи осуществляются парами электронов, движущихся по орбитам, охватывающим оба атома.

Кремний и германий представляют собой кристаллы с регу­лярной структурой. Кристаллическая решетка кремния и германия называется тетраэдрической или решеткой типа алмаза Основу решетки составляет тетраэдр — пространственная фигура, имеющая четыре треугольные грани. В вершинах тетраэдра и в его центре расположены атомы. Центральный атом находится на одинаковом расстоянии от четырех других, находящихся в вер­шинах. А каждый атом, расположенный в вершине, в свою очередь, является центральным для других четырех ближайших атомов.

При рассмотрении физических процессов в полупроводниковых материалах удобнее пользоваться плоским эквивалентом тетраэдрической решетки (рис. 2.3). Все атомы (большие шарики) находятся в парноэлектронной, ковалентной или просто валентной связи. Парноэлектронные связи (линии на рисунке) образуются валентными электронами (на рисунке — маленькие шари­ки) при сближении атомов. Так располагаются атомы чистых четырехвалентных элементов, в том числе Ge и Si, при очень низкой температуре.

| следующая лекция ==>
Системы разработки при отсутствии воздействия на пласты | Дефекты в кристаллах. При выращивании монокристаллов из расплава очень трудно получить материалы со строго регулярной структурой

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Монокристаллы – это. Понятие, свойства и примеры монокристаллов

Кристаллы – твердые тела, имеющие правильную геометрическую форму. Структура, внутри которой расположены упорядоченные частицы, называется кристаллической решеткой. Точки расположения частиц, в которых они совершают колебания, называются узлами кристаллической решетки. Все эти тела разделяют на монокристаллы и поликристаллы.

Что такое монокристаллы

Монокристаллы – это одиночные кристаллы, у которых кристаллическая решетка имеет четкий порядок. Часто монокристалл имеют правильную форму, но этот признак не является обязательным при определении типа кристалла. Большинство минералов являются монокристаллами.

Вам будет интересно: Формула точки безубыточности в денежном выражении: примеры применения

Внешняя форма зависит от скорости роста вещества. При медленном увеличении и однородности материала, кристаллы имеют правильную огранку. При средней скорости огранка неярко выражена. При высокой скорости кристаллизации вырастают поликристаллы, состоящие из множества монокристаллов.

Классическими примерами монокристаллов являются алмаз, кварц, топаз. В электронике особое значение имеют монокристаллы, обладающие свойствами полупроводников и диэлектриков. Сплавы монокристаллов отличаются повышенной твердостью. Сверхчистые монокристаллы имеют одинаковые свойства независимо от происхождения. Химический состав минералов зависит от скорости выращивания. Чем медленнее растет кристалл, тем совершеннее его состав.

Поликристаллы

Монокристаллы и поликристаллы характеризуются высоким молекулярным взаимодействием. Поликристалл состоит из множества монокристаллов и имеет неправильную форму. Иногда их называют кристаллитами. Они появляются в результате естественного роста или выращиваются искусственным путем. Поликристаллами могут быть сплавы, металлы, керамика. Основные характеристики складываются из свойств монокристаллов, но при этом большое значение имеют размеры зерен, расстояние между ними, границы зерен. При наличии границ, физические показатели поликристаллов значительно изменяются, снижается прочность.

Поликристаллы порождаются в результате кристаллизации, изменения кристаллических порошков. Эти минералы менее стабильны, чем монокристаллы, что приводит к неравномерному росту отдельных зерен.

Полиморфизм

Монокристаллы – это вещества, способные существовать сразу в двух состояниях, которые будут отличаться по своим физическим свойствам. Такая особенность получила название полиморфизм.

При этом вещество в одном состоянии может быть стабильнее, чем другая. При изменении условий окружающей среды ситуация может измениться.

Вам будет интересно: Смесь токоферолов: описание, химические свойства, применение, польза и вред

Полиморфизм бывает следующих типов:

  • Реконструкционный – распад происходит до атомов и молекул.
  • Деформационный – структура видоизменяется. Происходит сжатие или растяжение.
  • Сдвиговый – некоторые элементы структуры изменяют свое местоположение.

    Свойства кристалла могут измениться при резком изменении состава. Классическим примером полиморфизма является модификация углерода. В одном состоянии это алмаз, в другом – графит, вещества с различными свойствами.

    Некоторые формы углевода при нагревании превращаются в графит. Изменения свойств могут происходить без деформации кристаллической решетки. В случае с железом замещение некоторых компонентов приводит исчезанию магнитных свойств.

    Прочность кристаллов

    Любой материал, применяемый в современной технике, имеет итоговую прочность. Наибольшей прочностью обладает сплав никеля, хрома и железа. Повышение прочности металлов позволит усовершенствовать военную и гражданскую технику. Увеличение износостойкости приведет к большему сроку службы. По этой причине прочность монокристаллов ученые давно изучают.

    Чистые монокристаллы – это кристаллы с идеальной кристаллической решеткой, содержат незначительное количество дефектов. При уменьшении числа дефектов прочность металлов увеличивается в несколько раз. При этом плотность металла остается почти прежней.

    Монокристаллы с идеальной решеткой устойчивы к механическому воздействию до температуры плавления. Не изменяются со временем. Чаще всего такие монокристаллы имеют нулевую дислокацию. Но это необязательное условие. Прочность объясняется тем, что микротрещины образуются в местах, где имеется наибольшее количество дислокаций. А при их отсутствии трещинам появляться негде. Значит, монокристалл прослужит до тех пор, пока не будет превышен порог его прочности.

    Искусственные монокристаллы

    Выращивание монокристаллов возможно при текущем уровне науки. При обработке металла, не меняя его состав, можно создать монокристалл, который обладает высоким запасом прочности.

    Известно 2 метода производства монокристаллов:

    • сверхвысокое давление и литье металла;
    • криогенное давление.

    Первый метод пользуется популярностью при обработке легких металлов. При условии чистоты металла и увеличении давления постепенно появится новый металл, обладающий теми же свойствами, но с увеличенной прочностью. При соблюдении определенных условий можно получить монокристалл с идеальной решеткой. При наличии примесей существует вероятность, что кристаллическая решетка будет не идеальна.

    У тяжелых металлов при увеличении давления происходит процесс изменения структуры. Монокристалл еще не получился, а вещество изменило свойства.

    В основе криогенного литья лежит получение криогенных жидкостей. Под воздействием магнитного поля не происходит кристаллизация. Полукристаллическая форма становится кристаллом после электрического заряда.

    Алмаз и кварц

    Свойства алмаза основаны на том, что это вещество с атомной кристаллической решеткой. Связь между атомами обуславливает прочность алмаза. При неизменных условиях алмаз не изменяется. При попадании в вакуум постепенно превращается в графит.

    Размеры кристаллов существенно различаются. Синтетически выращенные алмазы имеют грани куба и внешне отличаются от собратьев. Свойства алмаза используются для резки стекла.

    Кристаллы кварца встречаются повсеместно. Минерал – один из самых распространенных. Обычно кварц бесцветен. Если внутри камня имеется множество трещин, то он белого цвета. При добавлении других примесей он меняет цвет.

    Кристаллы кварца используются при производстве стекла, для создания ультразвука, в электро-, радио-, телеаппаратуре. Некоторые разновидности применяются в ювелирном деле.

    Структура монокристаллов

    Металлы в твердом состоянии имеют кристаллическое строение. Структура монокристаллов – это бесконечные ряды чередующихся атомов. В реальности упорядоченность атомов может нарушаться из-за теплового воздействия, механического или по ряду других причин.

    Кристаллические решетки встречаются 3 видов:

    • тип вольфрама;
    • тип меди;
    • тип магния.

    Применение

    Искусственные монокристаллы – это возможность получать материал с новыми свойствами. Зона применения монокристаллов очень большая. Кварц и шпат создала природа, а фторид натрия выращен искусственным путем.

    Монокристаллы – это материалы, которые применяются в оптике и электронике. Кварц и слюда используются в оптике, но являются дорогими. В искусственных условиях можно вырастить монокристалл, который будет отличаться чистотой и прочностью.

    Алмаз используют там, где требуется высокая прочность. Но его успешно синтезируют в искусственных условиях. Трехмерные монокристаллы выращивают из расплавов.

    Что такое монокристаллы и поликристаллы

    Рост кристаллов из расплава или раствора начинается, как правило, из весьма большого числа центров. Если не приняты специальные меры, то кристаллизация приведет к образованию не монокристалла, а поликристаллического вещества. Под микроскопом

    (рис. 247) такое вещество кажется состоящим из отдельных зерен. Каждое зерно — это кристалл, принявший неправильную случайную форму, поскольку его дальнейшему росту воспрепятствовали соседние кристаллики. Большинство тел, с которыми нам приходится иметь дело, и прежде всего металлы и камни, являются поликристаллическими веществами.

    Граница между зернами легко выявляется травлением в подходящем растворителе. Это объясняется тем, что большинство загрязнений, имеющихся в веществе, скапливается на границах зерен. Межкристаллитная прослойка отлична от «тела» зерна не только потому, что в ней имеются чужеродные атомы; она обладает особыми свойствами и по той причине, что ее атомы расположены в нарушенном (переходном) порядке.

    Особая структура стыков зерен хорошо видна в электронном микроскопе в виде своеобразных гладких «дорожек». Обычные размеры зерен в металлах и камнях — это см.

    Можно найти в природе или искусственно вырастить одиночный кристалл (монокристалл) любого кристаллического вещества. Монокристалл характеризуется правильностью своей формы: плоскими гранями, прямыми ребрами и симметрией, т. е. соразмерностью своих частей. Эта правильная форма выражает внутренние свойства кристалла, позволяющие рядом бесспорных опытов отличить кристалл от куска вещества, которому такая форма придана искусственно. Также нетрудно узнать кристалл и в том случае, если его специфические признаки подавлены. Можно выточить шар из большого кристалла каменной соли. Если его растворять в воде, то удаление вещества происходит неодинаково быстро во всех точках поверхности шара и случайная форма стремится перейти по мере

    растворения в форму многогранника, естественного для этого вещества. Совершенно однозначно можно отличить монокристалл от поликристалла методом рентгеновского анализа.

    Итак, естественно образовавшийся кристалл имеет форму многогранника. Как и всякий многогранник, кристалл имеет некоторое число граней ребер и вершин Эти числа связаны соотношением Например, у куба 6 граней, 8 вершин и 12 ребер.

    Грани на кристаллах располагаются поясами или зонами. Зоной называется система граней, пересекающихся по параллельным ребрам. Направление этих ребер называется осью зоны.

    Кристаллы одного и того же вещества могут довольно сильно отличаться по форме, но уже очень давно известно, что для данного вещества характерными являются углы между гранями и ребрами (в зависимости от случайных обстоятельств одна часть кристалла могла развиться больше другой; видимая соразмерность частей может от этого нарушиться). Это важное правило, которое иногда называют законом постоянства углов, иллюстрируется рис. 248, на котором изображены четыре различных кристалла горного хрусталя Мы видим, что число граней и их относительные размеры различны у разных образцов, но углы между соответственными (т.е. связанными одним и тем же элементом симметрии и обозначенными на рисунке буквой а) гранями и ребрами остаются неизменными.

    Разница между поликристаллическим и монокристаллическим

    Поликристаллический против монокристаллического Кристалл – это кристалл, состоящий из кристалла или напоминающий кристалл. Кристаллические твердые тела или кристаллы имеют упорядоченную структуру и с

    Содержание:

    Поликристаллический против монокристаллического

    Кристалл – это кристалл, состоящий из кристалла или напоминающий кристалл. Кристаллические твердые тела или кристаллы имеют упорядоченную структуру и симметрию. Атомы, молекулы или ионы в кристаллах расположены определенным образом и, следовательно, имеют дальний порядок. В кристаллических твердых телах есть регулярный повторяющийся узор; таким образом, мы можем идентифицировать повторяющийся блок. По определению, «кристалл – это однородное химическое соединение с регулярным и периодическим расположением атомов. Примеры: галит, соль (NaCl) и кварц (SiO2). Однако кристаллы не ограничиваются минералами: они содержат большинство твердых веществ, таких как сахар, целлюлоза, металлы, кости и даже ДНК ». Кристаллы встречаются в природе в виде крупных кристаллических пород, таких как кварц, гранит. Кристаллы тоже образуются живыми организмами. Например, кальцит производят моллюски. Есть кристаллы на водной основе в виде снега, льда или ледников. Кристаллы можно разделить на категории по их физическим и химическим свойствам. Это ковалентные кристаллы (например, алмаз), металлические кристаллы (например, пирит), ионные кристаллы (например, хлорид натрия) и молекулярные кристаллы (например, сахар). Кристаллы могут иметь разную форму и цвет. Кристаллы обладают эстетической ценностью и, как считается, обладают лечебными свойствами; Таким образом, люди используют их для изготовления украшений.

    Поликристаллический

    В природе в большинстве случаев кажется, что кристаллы нарушили свой дальний порядок. Поликристаллы – это твердые тела, состоящие из множества мелких кристаллов. Они расположены в разной ориентации и ограничены сильно дефектными границами. Кристаллы в поликристаллическом твердом теле имеют микроскопические размеры и известны как кристаллиты. Они также известны как зерна. Есть твердые тела, которые состоят из монокристалла, такие как драгоценные камни и монокристаллы кремния, но в природе они встречаются очень редко. В большинстве случаев твердые вещества поликристаллические. В такой структуре некоторое количество монокристаллов удерживается вместе слоем аморфных твердых тел. Аморфное твердое тело – это твердое тело, не имеющее кристаллической структуры. То есть он не имеет упорядоченного расположения атомов, молекул или ионов внутри структуры. Следовательно, в поликристаллической структуре дальний порядок нарушен. Например, все металлы и керамика поликристаллические. В них порядок и ориентация очень случайны. Его можно определить по способу роста поликристаллического твердого вещества или по условиям обработки.

    Монокристаллический

    Слово «моно» означает один. Итак, слово монокристаллический означает монокристалл. Монокристаллические твердые тела состоят из монокристаллической решетки и, следовательно, имеют дальний порядок. Так что границ зерен нет. Эта однородность придает им уникальные механические, оптические и электрические свойства. Монокристаллы кремния используются в полупроводниках. Поскольку монокристаллические твердые тела обладают более высокой электропроводностью, они используются в высокопроизводительных электрических устройствах. Кроме того, их прочность очень высока, поэтому они используются для производства высокопрочных материалов.

    В чем разница между монокристаллическим и поликристаллическим?

    • Поликристаллические твердые тела состоят из множества кристаллических твердых частиц, тогда как монокристаллические имеют единую решетку.

    • Монокристаллические твердые тела имеют упорядоченную структуру и симметрию, но в поликристаллической структуре дальний порядок нарушен.

    • Монокристаллическая структура однородна и не имеет границ, но поликристаллическая структура отличается от этой. Он не имеет сплошной структуры и имеет границы между зернами.

    Кристаллы

    Твердые тела разделяют на аморфные тела и кристаллы. Отличие вторых от первых состоит в том, что атомы кристаллов располагаются согласно некоторому закону, образуя тем самым трехмерную периодическую укладку, что называется – кристаллическая решетка.

    Этимология

    Примечательно, что название кристаллов происходит от греческих слов «застывать» и «холод», и во времена Гомера этим словом называли горный хрусталь, который тогда считался «застывшим льдом». Сперва данным термином называли лишь ограненные прозрачные образования. Но позже, кристаллами стали звать также непрозрачные и не ограненные тела природного происхождения.

    Кристаллическая структура и решетка

    Идеальный кристалл представляется в виде периодически повторяющихся одинаковых структур – так называемых элементарных ячеек кристалла. В общем случае, форма такой ячейки – косоугольный параллелепипед.

    Следует различать такие понятия как кристаллическая решетка и кристаллическая структура. Первая – это математическая абстракция, изображающая регулярное расположение неких точек в пространстве. В то время как кристаллическая структура – это реальный физический объект, кристалл, в котором с каждой точкой кристаллической решетки связана определенная группа атомов или молекул.

    Кристаллическая структура граната — ромб и додекаэдр

    Основным фактором, определяющим электромагнитные и механические свойства кристалла, является строение элементарной ячейки и атомов (молекул), связанных с ней.

    Анизотропия кристаллов

    Главное свойство кристаллов, отличающее их от аморфных тел – это анизотропия. Это означает, что свойства кристалла различны, в зависимости от направления. Так, например, неупругая (необратимая) деформация осуществляется лишь по определенным плоскостям кристалла, и в определенном направлении. В связи с анизотропией кристаллы по-разному реагируют на деформацию в зависимости от ее направления.

    Однако, существуют кристаллы, которые не обладают анизотропией.

    Виды кристаллов

    Сравнение структур монокристаллов и поликристаллов

    Кристаллы разделяют на монокристаллы и поликристаллы. Монокристаллами называют вещества, кристаллическая структура которых распространяется на все тело. Такие тела являются однородными и имеют непрерывную кристаллическую решетку. Обычно, такой кристалл обладает ярко выраженной огранкой. Примерами природного монокристалла являются монокристаллы каменной соли, алмаза и топаза, а также кварца.

    Сульфат алюминия-калия монокристалл

    Немало веществ имеют кристаллическую структуру, хотя обычно не имеют характерной для кристаллов формы. К таким веществам относятся, например, металлы. Исследования показывают, что такие вещества состоят из большого количества очень маленьких монокристаллов — кристаллических зерен или кристаллитов. Вещество, состоящее из множества таких разноориентированных монокристаллов, называется поликристаллическим. Поликристаллы зачастую не имеют огранки, а их свойства зависят от среднего размера кристаллических зерен, их взаимного расположения, а также строения межзеренных границу. К поликристаллам относятся такие вещества как металлы и сплавы, керамики и минералы, а также другие.

    Возможные способы роста и образования

    1. Кристаллизация путем возгонки. Подобный метод кристаллизации подразумевает переход вещества из газообразного состояния к твердому, минуя жидкую фазу. Подобный процесс в природе имеет место в вулканических трещинах или кратерах, когда вещество быстро остывает. Однако простейший пример – образование зимой снежинок из воды.

    Кристалл воды — снежинка

    Монокристалл рубина (корунд)

    Другие факты

    • Имеет место такое явление как прорастание кристаллов. Это означает процесс, когда индивиды взаимно пересекаются и прорастают друг друга.
    • Существуют так называемые ионные кристаллы, которые состоят в основном из ионов, связь которых образуется за счет электростатического притяжения. К таким телам относят фторид калия и натрия, хлорид и бромид калия и др.
    • Существует 47 простых форм, из которых может состоять кристалл. Среди них: призма, пирамида, тетраедр, трапецоедр, ромбоедр и т.п.

    ‘ alt=”yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7 – Кристаллы” title=”Кристаллы”>

    Похожие статьи

    Понравилась запись? Расскажи о ней друзьям!

    Запись опубликована: 07.07.2017
    Автор: Владимир Соловьев

  • Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
    Добавить комментарий