Приглашаем посетить сайт

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах
НИТЕВИДНЫЕ КРИСТАЛЛЫ

НИТЕВИДНЫЕ КРИСТАЛЛЫ

НИТЕВИДНЫЕ КРИСТАЛЛЫ - микроскопия, монокристаллы с очень большим ( 10) отношением длины l кдиаметру d (при l от ~ 10 мкм до 10 мм, типично ~1 мм; d от ~ 0,01 мкм до 100 мкм, типично ~ 1 мкм). Обычно Н. к. имеют изометричное (шестиугольное, квадратное и т. д.) сечение. Им родственны ленточные кристаллы, у к-рых одно из измерений по крайней мере на порядок меньше двух остальных (толщина от ~ 0,1 мкм до ~ 100 мкм, типично ~ 10 мкм), в то время как два других лежат в интервале от ~10 мкм до ~10 мм (типично ~1 мм).

Кроме монокристаллич. Н. к. встречаютсяполикрнсталлнческие и аморфные - их чаще наз. волокнами или нитями. Имродственны также др. кристаллич. тела: дендриты, сферолиты (см. Кристаллизация).

Сильно анизотропная форма Н. к., с однойстороны, является следствием либо специфич. механизмов и кинетики их образования(роста), либо сильной анизотропии внутр. структуры данного материала; сдр. стороны, эта форма обусловливает ряд уникальных физ. свойств Н. к.

Н. к. могут расти из разных сред: из газовой(паровой) фазы, раствора, твёрдой фазы. Наиб. типичен рост Н. к. из газовойфазы. Напр., Н. к. Si растут при реакции SiCl₄ + 2Н ₂Si+ 4HC1. При этом механизм их роста в длину происходит, как правило, посхеме пар - жидкость - кристалл. На вершине растущего кристалла находитсякапля раствора кристаллизуемого вещества (в данном случае Si) в к.-л. др. <веществе (напр., Аu). Эта капля играет роль катализатора роста: термодинамическивозможная, но кинетически заторможенная реакция протекает преим. на поверхностикапли раствора, создавая в ней необходимое пере-сыщение. Атомы диффундируютсквозь каплю и осаждаются на границе жидкость - кристалл, а капля отодвигается, <оставаясь всё время на вершине Н. к. и почти не изменяясь в размерах. Витоге Н. к. растут лишь на тех участках подложки, на к-рых был растворитель(рис. 1). Такой механизм объясняет мн. особенности роста Н. к. (в т. ч . рольпримесей, к-рые инициируют их рост) и позволяет создавать методы их управляемоговыращивания (рис. 2). Существенно, что при росте по такому механизму ненужны винтовые дислокации, роль к-рых сильно преувеличивалась вранних теориях роста Н. к.

Рис. 1. Нитевидные кристаллы Si на участкемонокристаллической подложки Si, предварительно покрытой частицами металлаАu, инициирующими их рост (х 3000).

Рис. 2. Регулярная система нитевидных кристалловSi на подложке с регулярной системой частиц металла (x 1000).

Механизмы роста Н. к. из др. сред менееясны. Из растворов Н. к. лучше растут на пористых подложках, выталкиваясьот основания сквозь поры, вероятно, под действием т. н. кристаллизац. давления. <В др. случаях росту Н. к. из растворов способствуют длинноцепочечные (напр.,органические) молекулы, к-рые, возможно, адсорбируются на боковых граняхи тормозят рост во всех направлениях, кроме одного. Сравнительно легкоН. к. растут в гелях и из электролитич. растворов.

Механизмы роста Н. к. из твёрдой фазыразличны. Чаще всего их рост наблюдается на плёнках легкоплавких металлови сплавов, нанесённых на разные подложки, и походит на экструзию под действиеммеханич. напряжений в системе плёнка - подложка. Н. к. образуются такжев процессе коррозии металлов или при электропереносе в твёрдой фазе.

Ленточные (пластинчатые), а также полые(трубчатые) Н. к. чаще всего образуются из газовой фазы. В механизме ихформирования пока много неясного. В их образовании часто большую роль играютразл. несовершенства - дислокации (особенно винтовые), дефекты упаковки, <микродвойники и др. дефекты.

Изложенные механизмы и примеры характерныдля случаев, когда данный кристалл относится к т. н. высокосимметричнымсингониям, а потому его равновесные формы изометричны. В случае низшихсингоний (триклииной, моноклинной и др.) собственная внутр. структура кристалловтакова, что их равновесная форма, как и близкие ей формы роста, анизотропна, <а потому кристаллы растут, как правило, в виде Н. к., а также лент, пластиноки т. д. К этой категории относятся мн. природные кристаллы (силикаты, сульфосолии др.).

Специфич. (квазиодномерная) форма Н. к. <и их малые размеры (по крайней мере, в одном измерении) делают их удобнымиобъектами для изучения ряда физ. эффектов при кристаллизации. Так, на нихлегко наблюдается т. н. эффект Гиббса - Томсона (зависимость равновесногодавления пара над крнсталлич. частицей от её размеров), проверяются закономерностиповерхностной диффузии, обнаружена радиальная периодич. неустойчивость, <обусловленная, вероятно, автоколебат. явлениями в росте кристаллов (рис.3).

Среди уникальных физ. свойств Н. к. выделяетсяих исключительно высокая механич. прочность, превышающая прочность массивныхмонокристаллов в 10² - 10³ раз и приближающаяся ктеоретической. Здесь проявляется, в частности, размерный эффект: прочностьН. к. резко возрастает при их диам.5 мкм (рис. 4). Это объясняется тем, что при таких диаметрах Н. к., какправило, не содержат дислокаций и имеют весьма совершенную поверхность. <По этой же причине, благодаря меньшему рассеянию носителей заряда на дефектахи поверхностях, электросопротивление Н. к. относительно мало. ОсобенностиН. к. состоят также в том, что Н. к. ферромагнетиков и сегнетоэлектриков, <как правило, представляют собой монодомены.

Рис. 3. Периодическая неустойчивость нитевидныхкристаллов Si субмикронных диаметров (X 5000).

На уникальных свойствах Н. к. основаныих применения. Сконструирован ряд приборов (миниатюрные термометры, тензодатчикии датчики Холла, дозиметрич. приборы и др.), в к-рых Н. к. составляют наиболеечувствит. часть. В электронике Н. к. используются как высокоэффективныеавтоэмиссионные катоды (см. Автоэлектронная эмиссия). Высокая механич. <прочность Н. к. позволила осуществить на них автоионный микроскоп для сравнительнолегкоплавких материалов, например полупроводников. Н. к. применяются идля создания высокопрочных композиционных материалов.

Рис. 4. Зависимость предела упругости у нитевидных кристаллов NaCl от диаметра d.

Лит.: Бережкова Г. В., Нитевидныекристаллы, М., 1969; Гиваргизов Е. И., Рост нитевидных и пластинчатых кристалловиз пара, М., 1977.

Е. И. Гиваргизов.