Рисунок 2 – Левая кривая – зависимость числа зародышей кристаллов глицерина, возникающих в 1 см3 расплава в ед. времени, от температуры; правая – то же для 1,2 см3 расплава пиперина
Крупные совершенные монокристаллы выращивают из пересыщенных растворов и перегретых расплавов, вводя в них небольшие затравочные кристаллики, не допуская самопроизвольного зарождения. Наоборот, в металлургических процессах стремятся получить максимальное число зародышей и добиваются сильного переохлаждения расплава.
Следующая стадия после образования зародышей – стадия роста кристаллов. Происходит при контакте кристалла с переохлажденной или пересыщенной средой (расплавом, раствором, паром). При росте кристаллов кристаллизующееся вещество вначале адсорбируется поверхностью кристалла, а затем встраивается в кристаллическую решетку равновероятно на любом участке поверхности (нормальный рост кристаллов) либо вблизи ступеней, образованных на поверхности, например выходами винтовых дислокаций (дислокация – это линейный дефектов кристаллов, отсутствие цепочки атомов – см. в главе 3 раздел 3.9) или разрастающимися двумерными зародышами. В последнем случае на поверхности последовательно образуются и быстро растут в тангенциальном направлении слои (послойный рост кристаллов). Если переохлаждение или пресыщение среды не превышает некоторого значения, называемого пределом морфологической устойчивости, нормально растущий кристалл имеет устойчивую форму, повторяющую форму теплового или концентрационного поля вокруг него (при росте кристаллов из расплава – обычно округлую); послойно растущий кристалл все время сохраняет форму многогранника. При превышении порога устойчивости растут древовидные кристаллы (дендриты).
Количественная характеристика роста кристаллов – скорость перемещения поверхности кристалла в направлении нормали к ней (скорость роста)
f=βsn, (2)
где β – кинетический коэффициент роста, изменяющийся в пределах 10-3-10-8 см/с,
s – относительное переохлаждение или пересыщение среды,
n – параметр роста (обычно 1≤n≤3).
Скорость роста может лимитироваться массо- и теплообменом кристалла со средой (соответственно внешнедиффузионный и теплообменный режимы), скоростью химического взаимодействия кристаллизующихся компонентов с другими компонентами среды (внешнекинетический режим), процессами на поверхности кристалла (адсорбционно-кинетический режим). Во внешнекинетическом режиме f растет с концентрацией добавок, ускоряющих взаимодействие в среде, во внешнедиффузионном и теплообменном режимах – с увеличением интенсивности перемешивания, в адсорбционно-кинетическом – с увеличением поверхностной дефектности кристалла.
Из слабо переохлажденных паров, растворов и, реже, из расплавов кристаллы растут в форме многогранников. Их наиболее развитые грани обычно имеют простые индексы кристаллографические, например, для алмаза это грани куба и октаэдра. В силу геометрических соображений размер каждой грани, как правило, тем больше, чем меньше скорость ее роста. Так как скорость роста увеличивается с переохлаждением по-разному для разных граней, то с изменением переохлаждения меняется и облик (габитус) кристалла. Рост граней простых индексов часто идет послойно – незавершенные слои (ступени) движутся при росте по поверхности граней. Высота ступени (толщина слоя) колеблется от доли миллиметра до нескольких Å. На тонких двупреломляющих кристаллических пластинах ступени наблюдаются в поляризованном свете как границы областей различной окраски (рисунок 3).
Тонкие ступени движутся при росте быстрее толстых, догоняют их и сливаются с ними. В свою очередь, высокие ступени расщепляются на более низкие. Ступенчатая структура поверхности сильно зависит от условий роста (температуры, пересыщения, состава среды) и влияет на совершенство и форму кристалла. Например, появление на кристаллах сахарозы высоких ступеней ведет к захвату капелек маточного раствора и растрескиванию кристаллов.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.