Доклад по нанобиотехнологиям. нанокристаллы.памш. 1. Общие сведения. Происхождение понятия нанокристалл
 Скачать 39.04 Kb.
|
500 °С) частями автоклава. Перенос вещества осуществляется конвективным перемешиванием. Гидротермальный синтез является основным процессом производства нанокристалла кварца.ОглавлениеОглавление Введение. 1. Общие сведения. 2. Происхождение понятия нанокристалл 3. Область использования нанокристаллов 4. Получение нанокристаллов 5. Неорганические и органические нанокристаллы Заключение Список использованных источников Введение.Нанокристалл - отдельный однородный кристалл, имеющий непрерывную кристаллическую решётку, характеризующийся анизотропией свойств и имеющий размеры100 нм. Вообще говоря, любой материал с характерными размерами менее 1 микрометра следует относить к наночастицам, а не к нанокристаллам. Например, любую частицу, в которой присутствует упорядоченная область, следует относить к наночастице или нанокластеру в зависимости от количества измерений в пространстве. В случае трехмерного расположения атомов в пространстве элемента твёрдого вещества логично вытекает название - нанокристалл. Эти материалы имеют большой технологический потенциал, так как многие их электрические и термодинамические свойства зависят от их размеров, и, следовательно, могут контролироваться во время технологического процесса. Кристаллические наночастицы, образуя монокристаллические системы, интересны для изучения макроскопических кристаллов из-за отсутствия дефектов и межзеренных границ. Полупроводниковые нанокристаллы с размерами менее 10 нм также известны как квантовые точки. Оказывается, что оптические и электронные свойства квантовых точек могут очень сильно отличаться от свойств объемных макроскопических фаз вещества, состоящего из тех же атомов. Учитывая уникальность свойств нанокристаллов, важных для создания новых материалов и устройств, иногда их еще образно называют искусственными атомами.Так, например, кремний, в виде массивного монокристалла или аморфного слоя имеет крайне низкую эффективность люминесценции в спектральной области около 1 мкм. В то же время нанокристаллы кремния начинают интенсивно светиться при оптическом или электрическом возбуждении. При этом, уменьшая размеры нанокристаллов, можно контролируемо перестраивать спектр люминесценции от ближней ИК до видимой области спектра. Все это открывает новые возможности для практических применений хорошо известных веществ в полупроводниковой оптоэлектронике и биомедицине, в том числе при создании новых лекарственных и диагностических средств. Кристаллические наночастицы, изготовленные из цеолита используются в качестве фильтра для перевода сырой нефти в дизельное топливо на очистительном заводе ExxonMobil в Луизиане. Данный метод дешевле, чем конвекционный. Основы из кристаллических наночастиц используются в качестве новых типов солнечных батарей (SolapPly компании Nanosolar). Данные панели дешевле других типов панелей, более гибкие, а также утверждается, что их эффективность составляет 12% (конвекционные недорогие органические солнечные панели преобразуют 9% солнечного тепла в электричество). Нанокристаллы изучают: - нанотехнология; - кристаллография изучает идеальные кристаллы; - структурная кристаллография занимается определением структуры и классификацией решеток; - кристаллооптика изучает оптические свойства кристаллов; - кристаллохимия изучает закономерности образования кристаллов из различных веществ и др. Область изучения свойств нанокристаллов - целая научная отрасль. Например, все полупроводниковые свойства некоторых кристаллов, нанокристаллов (на основе которых создаётся точная электроника и, в частности, компьютеры) возникают именно за счет наличия примесей и дефектов в структуре решётки нанокристалла. 1.Общие сведения.Нанокристалл - отдельный однородный кристалл, имеющий непрерывную кристаллическую решётку и характеризующийся анизотропией свойств. Внешняя форма нанокристалла обусловлена его атомно-кристаллической структурой и условиями кристаллизации. Нанокристаллы делятся на: - идеальный; - реальный нанокристалл. Идеальный нанокристалл - это трёхмерная частица совершенной структуры, лишенная всех дефектов строения, скорее это математический объект, имеющий полную, свойственную ему симметрию, идеально гладкие грани и т. д. Идеальный нанокристалл (кристалл) является теоретической моделью, широко используемой в теории твёрдого тела. Реальный нанокристалл всегда содержит различные дефекты, неровности на гранях и пониженную симметрию вследствие воздействия окружающей среды. Реальный нанокристалл вообще может не обладать кристаллографическими гранями, но у него сохраняется главное свойство - закономерное положение атомов в решётке. Основной отличительный признак свойств кристаллов в том числе и нанокристаллов - их анизотропия, то есть зависимость их свойств от направления, тогда как в изотропных (жидкостях, аморфных твёрдых телах) или псевдоизотропных (поликристаллы) телах свойства от направлений не зависят. Примерами природных нанокристаллов могут служить нанокристаллы кварца, каменной соли, исландского шпата, алмаза, топаза. Примеры нанокристаллов полупроводников, таких как кремний, карбид кремния, диоксид олова и некоторых других полупроводниковых соединений. 2.Происхождениепонятия нанокристаллFahlman B.D. описал нанокристалл как любой наноматериал, по крайней мере, с одним измерением 100 нм. Это по его выражению - единичный кристалл. Более точно, любой материал с размерами меньше, чем 1 микрометр, то есть, 1000 миллимикронов, должен упоминаться как наночастица, но не нанокристалл. Например, любую частицу, которая показывает области кристалличности, нужно назвать наночастица или наногруппа в зависимости от количества измерений в пространстве. В случае трехмерного расположения атомов в пространстве элемента твёрдого вещества логично вытекает название - нанокристалл. Данные материалы представляют огромный технологический интерес. Многие из их электрических и термодинамических свойств показывают сильную зависимость размера и могут поэтому использоваться через осторожные производственные процессы. Прозрачные наночастицы также представляют интерес, потому что они часто обеспечивают единственную область применения прозрачной системы, которая может быть изучена и обеспечить информацией, которая может помочь объяснять поведение макроскопических образцов подобных материалов, без присутствия усложнения границ зерна и других дефектов. Полупроводники нанокристаллов в диапазоне размера sub - 10 нм часто упоминаются как квантовые точки. Прозрачные наночастицы, сделанные с цеолитом используются в качестве фильтра, для перевода сырой нефти на дизельное топливо на заводе по очистке нефти ExxonMobil в Штате Луизиана, как метод более дешевый, чем обычный. нанокристалл кристаллография наночастица Наилучшая электролюминисцентия была получена в кремниевом нанокристалле. Дата регистрации торговой марки NanoCrystal - зарегистрирована в Ирландии, которая используется в Elan, составляющей основу мукомольныого процесса, состоящего из наночастиц. Что было отличительной частью формулы при составлении заявки на изобретение. Нанокристаллы ценны как материал, обладающий особыми физическими свойствами. Например, алмаз и боразон предельно тверды, флюоритпрозрачен для широкого диапазона длин волн. Нанокристаллы способны менять свои свойства под влиянием внешних воздействий (света, механических напряжений, электрических и магнитного полей, радиации, температуры, давления). 3.Область использования нанокристалловИзделия и элементы, изготовленные из нанокристаллов, применяются в качестве различных преобразователей в радиоэлектронике, квантовой электронике, акустике, вычислительной технике. Первоначально в технике использовались природные нанокристаллы, 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 нанокристаллов. 4.Получение нанокристалловИзвестны следующие методы выращивания нанокристаллов из расплава: а) Стокбаргера; б) Чохральского; в) Вернейля; г) зонной плавки. В методе Стокбаргера тигель с расплавом перемещают вдоль печи в вертикальном направлении со скоростью 1 - 20 мм/ч. Температура в плоскости диафрагмы поддерживается равной температуре кристаллизации вещества. Так как 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 нанокристаллов. Этот метод широко используется в промышленном производстве крупных нанокристаллов: флюорита, фтористого лития, сернистого кадмия и др. В методе Чохральского нанокристалл медленно вытягивается из расплава. Скорость вытягивания 1 - 20 мм/ч. Метод позволяет получать нанокристалл заданной кристаллографической ориентации. Метод Чохральского применяется при выращивании нанокристалла иттриево-алюминиевого граната, ниобата лития и полупроводниковых нанокристаллов. А.В. Степанов создал на основе этого метода способ для выращивания нанокристаллов с сечением заданной формы, который используется для производства полупроводниковых нанокристаллов. Метод относят к тигельным, поскольку при выращивании используются контейнеры из материалов устойчивых к расплаву и атмосфере установки. При выращивании кристаллов из тигля происходит загрязнение расплава материалом тигля (так для кремния, выращиваемого из кварцевого тигля, главными загрязняющими элементами являются содержащиеся в кварце кислород, бор, фосфор, алюминий, железо). Метод характеризуется наличием большой открытой площади расплава, поэтому летучие компоненты и примеси активно испаряются с поверхности расплава. Соответственно, содержанием летучих легирующих компонентов управляют, изменяя давление и/или состав атмосферы в ростовой установке. Так, к примеру, с поверхности расплава кремния, выращиваемого из кварцевого тигля, активно испаряется монооксид кремния - SiO, образующийся при растворении материала тигля. Концентрация кислорода и равномерность её распределения в готовом слитке являются важными параметрами, поэтому давление и скорость протока над расплавом аргоновой атмосферы, в которой слитки кремния выращивают с 70-х годов ХХ-ого века, обычно подбирают экспериментально и регулируют в течение всего процесса. Для обеспечения более равномерного распределения температуры и примесей по объёму расплава затравочный кристалл и тигель с расплавом вращают, причем, обычно в противоположных направлениях. Несмотря на это, вращения в заведомо неоднородном тепловом поле всегда приводят к появлению на поверхности слитка мелкой винтовой нарезки. Более того, в случае неблагоприятных условий роста помимо винтовой нарезки на поверхности сам слиток может расти в форме штопора (коленвала). Аналогичная картина и с распределением примесей: несмотря на вращения, вдоль фронта кристаллизации всегда остаётся неподвижная область расплава переменной толщины, в которой транспорт компонентов расплава (например, примесей) осуществляется медленно, исключительно за счёт диффузии. Это обусловливает неравномерность распределения компонентов расплава по диаметру слитка (по сечению). Дополнительным фактором, оказывающим влияние на распределение примесей по сечению, являются устойчивые и не устойчивые турбулентные вихри в расплаве при выращивании слитков большого диаметра. Метод отличается наличием большого объёма расплава, который по мере роста слитка постепенно уменьшается за счёт формирования тела кристалла. При росте кристалла на фронте кристаллизации постоянно происходит оттеснение части компонентов в расплав. Расплав постепенно обедняется компонентами, более интенсивно встраивающимися в кристалл, и обогащается компонентами, оттесняемыми при росте кристалла. По мере роста концентрации компонента в расплаве его концентрация повышается и в кристалле, поэтому распределение компонентов по длине слитка неравномерно (для кристаллов кремния характерно повышение концентраций углерода и легирующих примесей к концу слитка). Кроме того, при уменьшении объёма расплава уменьшается площадь контакта расплава с материалом тигля, что уменьшает поступление загрязнений из тигля в расплав (в случае кремния кислород из тигля непрерывно поступает в расплав и затем испаряется с поверхности в виде монооксида кремния; в результате из-за уменьшения площади контакта расплава и тигля концентрация кислорода в слитке уменьшается от начала слитка к его концу). Выращивание кристалла идёт со свободной поверхности расплава, не ограничивается стенками контейнера (тигля), поэтому кристаллы, полученные методом Чохральского, менее напряжены, чем кристаллы, полученные другими тигельными методами. Форма кристалла близка к цилиндрической, но при этом проявляются искажения, определяемые тепловыми условиями выращивания, скоростью вытягивания, кристаллической структурой и кристаллографической ориентацией выращиваемого слитка. Так, бездислокационные слитки кремния, выращиваемые в ориентации [111], всегда имеют выраженную огранку, т.е. на цилиндре как правило формируется одна чёткая грань, как если бы с цилиндра срезали сегмент высотой до 1/6 диаметра слитка, и две нечётких грани, как если бы с цилиндра срезали сегмент высотой в несколько миллиметров. Бездислокационные слитки кремния, выращиваемые в направлении при значительном переохлаждении, стремятся приобрести выраженную квадратную огранку, причём снижение скорости вытягивания способствует проявлению огранки. Чрезмерное повышение скорости вытягивания и/или переохлаждение расплава нередко приводят к тому, что слиток приобретает более или менее винтообразную форму (твистинг). ОглавлениеОглавление Введение. 1. Общие сведения. 2. Происхождение понятия нанокристалл 3. Область использования нанокристаллов 4. Получение нанокристаллов 5. Неорганические и органические нанокристаллы Заключение Список использованных источников Введение.Нанокристалл - отдельный однородный кристалл, имеющий непрерывную кристаллическую решётку, характеризующийся анизотропией свойств и имеющий размеры100 нм. Вообще говоря, любой материал с характерными размерами менее 1 микрометра следует относить к наночастицам, а не к нанокристаллам. Например, любую частицу, в которой присутствует упорядоченная область, следует относить к наночастице или нанокластеру в зависимости от количества измерений в пространстве. В случае трехмерного расположения атомов в пространстве элемента твёрдого вещества логично вытекает название - нанокристалл. Эти материалы имеют большой технологический потенциал, так как многие их электрические и термодинамические свойства зависят от их размеров, и, следовательно, могут контролироваться во время технологического процесса. Кристаллические наночастицы, образуя монокристаллические системы, интересны для изучения макроскопических кристаллов из-за отсутствия дефектов и межзеренных границ. Полупроводниковые нанокристаллы с размерами менее 10 нм также известны как квантовые точки. Оказывается, что оптические и электронные свойства квантовых точек могут очень сильно отличаться от свойств объемных макроскопических фаз вещества, состоящего из тех же атомов. Учитывая уникальность свойств нанокристаллов, важных для создания новых материалов и устройств, иногда их еще образно называют искусственными атомами.Так, например, кремний, в виде массивного монокристалла или аморфного слоя имеет крайне низкую эффективность люминесценции в спектральной области около 1 мкм. В то же время нанокристаллы кремния начинают интенсивно светиться при оптическом или электрическом возбуждении. При этом, уменьшая размеры нанокристаллов, можно контролируемо перестраивать спектр люминесценции от ближней ИК до видимой области спектра. Все это открывает новые возможности для практических применений хорошо известных веществ в полупроводниковой оптоэлектронике и биомедицине, в том числе при создании новых лекарственных и диагностических средств. Кристаллические наночастицы, изготовленные из цеолита используются в качестве фильтра для перевода сырой нефти в дизельное топливо на очистительном заводе ExxonMobil в Луизиане. Данный метод дешевле, чем конвекционный. Основы из кристаллических наночастиц используются в качестве новых типов солнечных батарей (SolapPly компании Nanosolar). Данные панели дешевле других типов панелей, более гибкие, а также утверждается, что их эффективность составляет 12% (конвекционные недорогие органические солнечные панели преобразуют 9% солнечного тепла в электричество). Нанокристаллы изучают: - нанотехнология; - кристаллография изучает идеальные кристаллы; - структурная кристаллография занимается определением структуры и классификацией решеток; - кристаллооптика изучает оптические свойства кристаллов; - кристаллохимия изучает закономерности образования кристаллов из различных веществ и др. Область изучения свойств нанокристаллов - целая научная отрасль. Например, все полупроводниковые свойства некоторых кристаллов, нанокристаллов (на основе которых создаётся точная электроника и, в частности, компьютеры) возникают именно за счет наличия примесей и дефектов в структуре решётки нанокристалла. 1.Общие сведения.Нанокристалл - отдельный однородный кристалл, имеющий непрерывную кристаллическую решётку и характеризующийся анизотропией свойств. Внешняя форма нанокристалла обусловлена его атомно-кристаллической структурой и условиями кристаллизации. Нанокристаллы делятся на: - идеальный; - реальный нанокристалл. Идеальный нанокристалл - это трёхмерная частица совершенной структуры, лишенная всех дефектов строения, скорее это математический объект, имеющий полную, свойственную ему симметрию, идеально гладкие грани и т. д. Идеальный нанокристалл (кристалл) является теоретической моделью, широко используемой в теории твёрдого тела. Реальный нанокристалл всегда содержит различные дефекты, неровности на гранях и пониженную симметрию вследствие воздействия окружающей среды. Реальный нанокристалл вообще может не обладать кристаллографическими гранями, но у него сохраняется главное свойство - закономерное положение атомов в решётке. Основной отличительный признак свойств кристаллов в том числе и нанокристаллов - их анизотропия, то есть зависимость их свойств от направления, тогда как в изотропных (жидкостях, аморфных твёрдых телах) или псевдоизотропных (поликристаллы) телах свойства от направлений не зависят. Примерами природных нанокристаллов могут служить нанокристаллы кварца, каменной соли, исландского шпата, алмаза, топаза. Примеры нанокристаллов полупроводников, таких как кремний, карбид кремния, диоксид олова и некоторых других полупроводниковых соединений. 2.Происхождениепонятия нанокристаллFahlman B.D. описал нанокристалл как любой наноматериал, по крайней мере, с одним измерением 100 нм. Это по его выражению - единичный кристалл. Более точно, любой материал с размерами меньше, чем 1 микрометр, то есть, 1000 миллимикронов, должен упоминаться как наночастица, но не нанокристалл. Например, любую частицу, которая показывает области кристалличности, нужно назвать наночастица или наногруппа в зависимости от количества измерений в пространстве. В случае трехмерного расположения атомов в пространстве элемента твёрдого вещества логично вытекает название - нанокристалл. Данные материалы представляют огромный технологический интерес. Многие из их электрических и термодинамических свойств показывают сильную зависимость размера и могут поэтому использоваться через осторожные производственные процессы. Прозрачные наночастицы также представляют интерес, потому что они часто обеспечивают единственную область применения прозрачной системы, которая может быть изучена и обеспечить информацией, которая может помочь объяснять поведение макроскопических образцов подобных материалов, без присутствия усложнения границ зерна и других дефектов. Полупроводники нанокристаллов в диапазоне размера sub - 10 нм часто упоминаются как квантовые точки. Прозрачные наночастицы, сделанные с цеолитом используются в качестве фильтра, для перевода сырой нефти на дизельное топливо на заводе по очистке нефти ExxonMobil в Штате Луизиана, как метод более дешевый, чем обычный. нанокристалл кристаллография наночастица Наилучшая электролюминисцентия была получена в кремниевом нанокристалле. Дата регистрации торговой марки NanoCrystal - зарегистрирована в Ирландии, которая используется в Elan, составляющей основу мукомольныого процесса, состоящего из наночастиц. Что было отличительной частью формулы при составлении заявки на изобретение. Нанокристаллы ценны как материал, обладающий особыми физическими свойствами. Например, алмаз и боразон предельно тверды, флюоритпрозрачен для широкого диапазона длин волн. Нанокристаллы способны менять свои свойства под влиянием внешних воздействий (света, механических напряжений, электрических и магнитного полей, радиации, температуры, давления). 3.Область использования нанокристалловИзделия и элементы, изготовленные из нанокристаллов, применяются в качестве различных преобразователей в радиоэлектронике, квантовой электронике, акустике, вычислительной технике. Первоначально в технике использовались природные нанокристаллы, 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 нанокристаллов. 4.Получение нанокристалловИзвестны следующие методы выращивания нанокристаллов из расплава: а) Стокбаргера; б) Чохральского; в) Вернейля; г) зонной плавки. В методе Стокбаргера тигель с расплавом перемещают вдоль печи в вертикальном направлении со скоростью 1 - 20 мм/ч. Температура в плоскости диафрагмы поддерживается равной температуре кристаллизации вещества. Так как 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 нанокристаллов. Этот метод широко используется в промышленном производстве крупных нанокристаллов: флюорита, фтористого лития, сернистого кадмия и др. В методе Чохральского нанокристалл медленно вытягивается из расплава. Скорость вытягивания 1 - 20 мм/ч. Метод позволяет получать нанокристалл заданной кристаллографической ориентации. Метод Чохральского применяется при выращивании нанокристалла иттриево-алюминиевого граната, ниобата лития и полупроводниковых нанокристаллов. А.В. Степанов создал на основе этого метода способ для выращивания нанокристаллов с сечением заданной формы, который используется для производства полупроводниковых нанокристаллов. Метод относят к тигельным, поскольку при выращивании используются контейнеры из материалов устойчивых к расплаву и атмосфере установки. При выращивании кристаллов из тигля происходит загрязнение расплава материалом тигля (так для кремния, выращиваемого из кварцевого тигля, главными загрязняющими элементами являются содержащиеся в кварце кислород, бор, фосфор, алюминий, железо). Метод характеризуется наличием большой открытой площади расплава, поэтому летучие компоненты и примеси активно испаряются с поверхности расплава. Соответственно, содержанием летучих легирующих компонентов управляют, изменяя давление и/или состав атмосферы в ростовой установке. Так, к примеру, с поверхности расплава кремния, выращиваемого из кварцевого тигля, активно испаряется монооксид кремния - SiO, образующийся при растворении материала тигля. Концентрация кислорода и равномерность её распределения в готовом слитке являются важными параметрами, поэтому давление и скорость протока над расплавом аргоновой атмосферы, в которой слитки кремния выращивают с 70-х годов ХХ-ого века, обычно подбирают экспериментально и регулируют в течение всего процесса. Для обеспечения более равномерного распределения температуры и примесей по объёму расплава затравочный кристалл и тигель с расплавом вращают, причем, обычно в противоположных направлениях. Несмотря на это, вращения в заведомо неоднородном тепловом поле всегда приводят к появлению на поверхности слитка мелкой винтовой нарезки. Более того, в случае неблагоприятных условий роста помимо винтовой нарезки на поверхности сам слиток может расти в форме штопора (коленвала). Аналогичная картина и с распределением примесей: несмотря на вращения, вдоль фронта кристаллизации всегда остаётся неподвижная область расплава переменной толщины, в которой транспорт компонентов расплава (например, примесей) осуществляется медленно, исключительно за счёт диффузии. Это обусловливает неравномерность распределения компонентов расплава по диаметру слитка (по сечению). Дополнительным фактором, оказывающим влияние на распределение примесей по сечению, являются устойчивые и не устойчивые турбулентные вихри в расплаве при выращивании слитков большого диаметра. Метод отличается наличием большого объёма расплава, который по мере роста слитка постепенно уменьшается за счёт формирования тела кристалла. При росте кристалла на фронте кристаллизации постоянно происходит оттеснение части компонентов в расплав. Расплав постепенно обедняется компонентами, более интенсивно встраивающимися в кристалл, и обогащается компонентами, оттесняемыми при росте кристалла. По мере роста концентрации компонента в расплаве его концентрация повышается и в кристалле, поэтому распределение компонентов по длине слитка неравномерно (для кристаллов кремния характерно повышение концентраций углерода и легирующих примесей к концу слитка). Кроме того, при уменьшении объёма расплава уменьшается площадь контакта расплава с материалом тигля, что уменьшает поступление загрязнений из тигля в расплав (в случае кремния кислород из тигля непрерывно поступает в расплав и затем испаряется с поверхности в виде монооксида кремния; в результате из-за уменьшения площади контакта расплава и тигля концентрация кислорода в слитке уменьшается от начала слитка к его концу). Выращивание кристалла идёт со свободной поверхности расплава, не ограничивается стенками контейнера (тигля), поэтому кристаллы, полученные методом Чохральского, менее напряжены, чем кристаллы, полученные другими тигельными методами. Форма кристалла близка к цилиндрической, но при этом проявляются искажения, определяемые тепловыми условиями выращивания, скоростью вытягивания, кристаллической структурой и кристаллографической ориентацией выращиваемого слитка. Так, бездислокационные слитки кремния, выращиваемые в ориентации [111], всегда имеют выраженную огранку, т.е. на цилиндре как правило формируется одна чёткая грань, как если бы с цилиндра срезали сегмент высотой до 1/6 диаметра слитка, и две нечётких грани, как если бы с цилиндра срезали сегмент высотой в несколько миллиметров. Бездислокационные слитки кремния, выращиваемые в направлении при значительном переохлаждении, стремятся приобрести выраженную квадратную огранку, причём снижение скорости вытягивания способствует проявлению огранки. Чрезмерное повышение скорости вытягивания и/или переохлаждение расплава нередко приводят к тому, что слиток приобретает более или менее винтообразную форму (твистинг). Инициация процесса выращивания производится путём введения в расплав затравочного кристалла необходимой структуры и кристаллографической ориентации. При смачивании затравки расплавом, из-за поверхностного натяжения в жидкости на поверхности затравочного кристалла сначала образуется тонкий слой неподвижного расплава. Атомы в этом слое выстраиваются в упорядоченную квазикристаллическую решётку, продолжающую кристаллическую решётку затравочного кристалла. Таким образом, выращиваемый слиток получает ту же кристаллическую структуру, что и исходный затравочный кристалл. Метод Вернейля бестигельный. Вещество в виде порошка (размер частиц 2--100 мкм) из бункера 1 через кислородно-водородное пламя подаётся на верхний оплавленный торец затравочного нанокристалла 2, медленно опускающегося с помощью механизма 5. Порошок вещества сыпется через пламя гремучего газа и капли расплава падают на затравочный кристалл. Метод Вернейля - основной промышленный метод производства тугоплавких нанокристаллов: рубина, шпинелей,рутила и др. Метод Вернейля является универсальным: хотя до начала 50х годов этот метод применялся в основном для выращивания рубина и шпинели, которые большей частью находили применение в приборостроении и ювелирной промышленности. В настоящее время с помощью этого метода выращиваются монокристаллы сотен наименований. С его помощью были выращены кристаллы шпинелей, гранатов, рутила. А если вместо газовой горелки использовать плазменный нагрев, то этим методом можно получать монокристаллы высокотугоплавких материалов - таких как бадделеит (ZrO2) и периклаз (MgO). Большой плюс метода в том, что он является бесконтейнерным, в результате чего снимаются проблемы физико-химического взаимодействии расплава с материалом контейнера, а также проблема возникновения остаточных напряжений из-за упругого воздействия стенок контейнера. Также метод дает возможность проведения кристаллизации в области порядка 2300 К на воздухе, причем окислительно-восстановительный потенциал атмосферы регулируется за счет изменения относительного содержания кислорода и водорода в пламени. Все это обеспечивает относительную техническую простату проведения процесса и доступность наблюдения за ростом кристаллов. В методе зонной плавки создаётся весьма ограниченная по ширине область расплава. Затем благодаря последовательному проплавлению всего слитка получают нанокристалл. Метод зонного проплавления получил широкое распространение в производстве полупроводниковых нанокристаллов, а также тугоплавких металлический нанокристаллов. молибден, вольфрам и др. Методы выращивания из раствора включают 3 способа: - низкотемпературный (растворители: вода, спирты, кислоты и др.) - высокотемпературный (растворители: расплавленные соли и др.) - 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. Этот метод используется для получения крупных нанокристаллов: сегнетовой соли, дигидрофосфата калия, нафталина и др. Высокотемпературный кристаллизатор 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 нанокристаллов: железоиттриевых гранатов, слюды, а также различных полупроводниковых плёнок. Гидротермальный синтез нанокристаллов основан на зависимости растворимости вещества в водных растворах кислот и щелочей от давления и температуры. Необходимые для образования нанокристалла 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 |