Синтетические кристаллы, кристаллы, выращенные искусственно в лабораторных или заводских условиях. Из общего числа Синтетические кристаллы около 10⁴ относятся к неорганическим веществам. Некоторые из них не встречаются в природе. Однако первое место занимают органические Синтетические кристаллы, насчитывающие сотни тысяч разнообразных составов и вообще не встречающиеся в природе. С другой стороны, из 3000 кристаллов, составляющих многообразие природных минералов, искусственно удаётся выращивать только несколько сотен, из которых для практического применения существенное значение имеют только 20—30 (см. табл.). Объясняется это сложностью процессов кристаллизации и техническими трудностями, связанными с необходимостью точного соблюдения режима выращивания монокристаллов.

Синтетические кристаллы. Кварц.

Первые попытки синтеза кристаллов, относящиеся к 16—17 вв., состояли в перекристаллизации воднорастворимых кристаллических веществ, встречающихся в виде кристаллов в природе (сульфаты, галогениды). После расшифровки состава природных минералов появились попытки синтеза минералов из порошков с использованием техники обжига. Этим методом были получены мелкие Синтетические кристаллы В начале 20 в. синтезом кристаллов занимались Е. С. Федоров и Г. В. Вульф, которые исследовали условия кристаллизации воднорастворимых соединений и усовершенствовали аппаратуру. В дальнейшем А. В. Шубников разработал общие принципы образования кристаллов из водных растворов [сегнетова соль, дигидрофосфат калия и др., см. рис. 1, 3, 4] и из расплавов (однокомпонентных и многокомпонентных систем), под его руководством была создана первая фабрика Синтетические кристаллы

Рис. 1. Синтетические водорастворимые кристаллы.

  Синтетические кристаллы кварца получают в гидротермальных условиях. Маленькие «затравочные» кристаллы различных кристаллографических направлений вырезаются из природных кристаллов кварца. Хотя кварц широко распространён в природе, однако его природные запасы не покрывают нужд техники, кроме того, природный кварц содержит много примесей. Синтетические кристаллы кварца массой до 15 кг выращивают в автоклавах в течение многих месяцев, а особо чистые кристаллы (оптический кварц) растут несколько лет (рис. 5, 6).

  Наиболее распространённые синтетические кристаллы

Рис. 5. Синтетические кристаллы. Кварц. Рис. 6. Синтетические кристаллы. Рубин. Название	Химическая формула	Методы выращивания	Средняя величина кристаллов	Области применения
Кварц	SiO2	Гидротермальный	От 1 до 15 кг, 300´200´150 мм	Пьезоэлектрические преобразователи, ювелирные изделия, оптические приборы
Корунд	Al2O3	Методы Вернейля и Чохральского, зонная плавка	Стержни диаметром 20—40 мм, длиной до 2 м, пластинки 200´300´30 мм	Приборостроение, часовая промышленность, ювелирные изделия
Германий	Ge	Метод Чохральского	От 100 г до 10 кг, цилиндры 200 мм ´500 мм	Полупроводниковые приборы
Кремний	Si	То же	То же	То же
Галогениды	KCl, NaCl	То же	От 1 до 25 кг, 100´100´600	Сцинтилляторы
Сегнетова соль	KNaC4H4O6´4H2O	Кристаллизация из растворов	От 1 до 40 кг, 500´500´300 мм	Пьезоэлементы
Дигидрофосфат калия	KH2PO4	То же	От 1 до 40 кг, 500´500´300 мм	То же
Алюмоиттриевый гранат	Y3Al5O12	Метод Чохральского, зонная плавка	40´40´150 мм 30´200´150 мм	Лазеры, ювелирные изделия
Иттриево-железистый гранат	Y3Fe5O12	Кристаллизация из растворов-расплавов	30´30´30 мм	Радиоакустическая промышленность, электроника
Гадолиний-галлиевый гранат	Gd3Ga5O12	Метод Чохральского	20´30´100 мм	Подложки для магнитных плёнок
Алмаз	C	Кристаллизация при сверхвысоких давлениях	От 0,1 до 3 мм	Абразивная промышленность
Ниобат лития	LiNbO3	Метод Чохральского	10´10´100 мм	Пьезои сегнетоэлементы
Нафталин	C10H8	Метод Киропулоса	Блоки в несколько кг	Сцинтилляционные приборы
Бифталат калия	C8H5O4K	Кристаллизация из водных растворов	40´100´100 мм	Рентгеновские анализаторы, нелинейная оптика
Кальцит	CaCO3	Гидротермальный	10´30´30 мм	Оптические приборы
Сульфид кадмия	CdS	Рост из газовой фазы	Стержни 20´20´100 мм	Полупроводниковые приборы
Сульфид цинка	ZnS	То же	Стержни 20´20´100 мм
Арсенид галлия	GaAs	Газотранспортные реакции	Стержни 20´20´100 мм
Фосфид галлия	GaP	То же	То же	То же
Молибдаты редкоземельных элементов	Y2(MoO4)3	Комбинированный метод Чохральского	10´10´100 мм	Лазеры
Двуокись циркония	ZrO2	Высокочастотный нагрев в холодном контейнере	Блоки около 2 кг, столбчатые кристаллы 100´10´50 мм	Ювелирные изделия
Двуокись гафния	HfO2	То же	То же	То же
Вольфрамат кальция	CaWO4	То же	10´10´100 мм	Лазеры
Алюминат иттрия	IAlO3	Метод Чохральского	10´10´100 мм	То же
Алюминий (трубы разных сечений)	Al	Метод Степанова	Длина 103мм, диаметр 3—200 мм	Металлургия

  Мир геометрически правильных кристаллов связан в сознании людей с миром драгоценных и поделочных камней. Поэтому усилия многих учёных были направлены на синтез алмаза, рубина, аквамарина, сапфира и др. В начале века были получены Синтетические кристаллы рубина из растворов в расплавах поташа и соды в виде кристалликов темно-малинового цвета. Позже (в конце 19 в.) французский учёный Вернейль изобрёл специальный аппарат для получения Синтетические кристаллы рубина, который в дальнейшем был усовершенствован. Порошок Al₂O₃ с добавкой нескольких % Cr2O3 непрерывно поступает в зону печи, где происходит горение водорода в кислороде. Капли расплавленной массы попадают затем на более холодный участок затравки и тотчас же кристаллизуются. В СССР работают аппараты системы С. К. Попова, которые позволяют получать Синтетические кристаллы рубина в виде стержней диаметром от 20 до 40 мм и Длина до 2 м — для лазеров, нитеводителей, а также для стекол космических приборов. Большую долю Синтетические кристаллы рубина потребляет часовая промышленность, но основным потребителем синтетического рубина является ювелирная промышленность. Добавка к Al₂O₃ примесей солей Ti, Со, Ni и других позволяет получить Синтетические кристаллы различной окраски, имитирующие окраску сапфиров, топазов, аквамаринов (рис. 7, 8) и других природных драгоценных камней.

Рис. 7. Синтетические кристаллы. Аквамарин (на основе кварца).

  Синтетические кристаллы алмаза были получены в 50-х гг. из порошка графита, смешанного с Ni. Смесь прессуется в виде небольших (2—3 см) дисков, которые затем нагреваются до температуры 2000—3000 °С при давлении в 100—200 тыс. am. В этих условиях графит превращается в алмаз. Величина Синтетические кристаллы алмаза порядка десятых долей мм. В особых условиях удаётся получить Синтетические кристаллы алмаза до 2—3 мм. В СССР создана алмазная промышленность для нужд главным образом буровой техники. Синтетические кристаллы алмазов, конкурирующие с природными ювелирными образцами, пока получены в небольших количествах.

  Начиная с 50-х гг. развивается промышленность органических Синтетические кристаллы — нафталина, стильбена, толана, антрацена и др., применяющихся в сцинтилляционных устройствах (см., например, Сцинтилляционный счётчик). Синтез этих кристаллов осуществляется в основном методом Чохральского. По размерам эти Синтетические кристаллы соперничают с крупными неорганическими (воднорастворимыми) кристаллами. Наиболее применяемые полупроводниковые кристаллы (Ge, Si, Ga, As и др.) в природе не встречаются. Все они выращиваются из расплавов в виде цилиндров диаметром от 10 до 20 см и Длина 30—50 см.

В лабораторных условиях из растворов расплавов выращивают Синтетические кристаллы феррогранатов и изумрудов. Однако промышленного развития эти методы ещё не получили. Развиваются исследования, связанные с промышленным выпуском синтетических драгоценных камней на основе алюмоиттриевых гранатов (гранатиты) (рис. 2а, 2б) и двуокисей циркония и гафния (фианиты). Это — Синтетические кристаллы с окраски, имитирующие изумруды, топазы и алмазы за счёт большого широкой гаммой преломления света.

Рис. 2а. Синтетические кристаллы феррогранатов.

Рис. 2б. Изделия из алюмогранатов.

Рис. 3. Синтетические кристаллы. Дигидрофосфат калия.

Рис. 4. Синтетические кристаллы. Сегнетова соль.

 

  Лит.: Федоров Е. С., Процесс кристаллизации, «Природа», 1915, декабрь; Вульф Г. В., Кристаллы, их образование, вид и строение, М., 1917; Шубников А. В., Как растут кристаллы, М. — Л., 1935; Аншелес О. М., Татарский В. Б., Штернберг А. А., Скоростное выращивание однородных кристаллов из растворов, [Л.], 1945; Попов С. К., Новый производственный метод выращивания кристаллов корунда, «Изв. АН СССР. Серия физическая», 1946, т. 10,№5—6; Штернберг А. А., Кристаллы в природе и технике, М., 1961; Условия роста и реальная структура кварца, в кн.: IV Всесоюзное совещание по росту кристаллов, Ер., 1972, ч. 2, с. 186; Мильвидский М. Г., Освенский В. Б., Получение совершенных монокристаллов полупроводников при кристаллизации из расплава, там же, ч. 2, с. 50; Багдасаров Х. С., Проблемы синтеза крупных тугоплавких оптических монокристаллов, там же, ч. 2, с. 6; Тимофеева В. А., Дохновский И. Б., Выращивание иттриево-железистых гранатов из растворов — расплавов на точечных затравках в динамическом режиме, «Кристаллография», 1971, т. 16, в. 3, с. 616; Яковлев Ю. М., Генделев С. Ш., Монокристаллы ферритов в радиоэлектронике, М., 1975.

  В. А. Тимофеева.