РОСТ И МОРФОЛОГИЯ КРИСТАЛЛОВ
Программа курса
Новосибирск
 |
Программа составлена в соответствии с Государственным образовательным стандартом высшего специального образования.
Предназначена для студентов-геохимиков 1-го курса геолого-геофизического факультета.
Составитель
д-р геол.-минер. наук, проф., чл.-кор. РАН В. С. Шацкий
Утверждена на заседании кафедры минералогии и петрографии.
© 
Новосибирский государственный
университет, 2005
Организационно-методический раздел
Курс «Рост и морфология кристаллов» относится к специальным дисциплинам вузовской компоненты стандарта образования.
1.2. Дисциплина «Рост и морфология кристаллов» предназначена для студентов-геохимиков геолого-геофизического факультета, 2 семестр 1-го курса.
Основной целью дисциплины является освоение студентами современных представлений о процессах роста кристаллов и возможности извлечения генетической информации, записанной в реальной структуре кристаллов.
Для достижения поставленной цели (помимо теоретической части, в которой рассматриваются механизмы роста кристаллов, захвата примесей, влияние условий роста на морфологию кристаллов), значительное внимание уделяется рассмотрению методов выращивания кристаллов на базе лабораторий Института минералогии и петрографии.
1.3. Требования к уровню освоения содержания курса. По окончанию изучения указанной дисциплины студент должен:
– иметь представления о процессах зародышеобразования и существующих теориях роста кристаллов;
– знать основные типы дефектов в кристаллах;
– уметь извлекать генетическую информацию из морфологии и внутреннего строения кристаллов;
– иметь представление о коэффициентах распределения примесей, объяснить причины зонального и секториального строения;
– знать основные методы выращивания кристаллов.
1.4. Формы контроля.
Итоговый контроль. Для контроля усвоения дисциплины учебным планом предусмотрен дифференцированный зачет.
Текущий контроль осуществляется посредством устных вопросов во время проведения контрольных недель.
Содержание дисциплины
2.1. Новизна курса
В основу курса положены современные представления о процессах роста кристаллов. Отличительной особенностью является широкое привлечение последних данных, касающихся процессов реального кристаллообразования, полученных в лабораториях Института минералогии и петрографии. В ходе освоения курса студенты приобретают навыки использования теории роста кристаллов для реконструкции условий минералообразования.
2.2. Тематический план курса (распределение часов).
| Темы | Количество часов | |||
| Лекции | Семинары | Самост. работа | Всего | |
| Применение кристаллов в технике | ||||
| Среда кристаллизации | ||||
| Движущая сила роста кристаллов | ||||
| Процессы зародышеобразования. Дефекты в кристаллах | ||||
| Механизмы роста кристаллов | ||||
| Зависимость между величиной пересыщения и морфологией кристаллов | ||||
| Фазовые диаграммы | ||||
| Захват примесей | ||||
| Влияние примесей на процессы роста и морфологию кристаллов | ||||
| Процессы выращивания кристаллов из расплавов | ||||
| Выращивание кристаллов из растворов | ||||
| Кристаллизация из паровой фазы | ||||
| Итого: |
2.3. Содержание курса.
1. Применение кристаллов в технике. Электрическая поляризация (электрическая индукция, напряженность электрического поля в диэлектрике; соотношение между индукцией D, напряженностью поля Е и поляризацией Р в анизотропных диэлектриках), пироэлектрики (линейные и нелинейные диэлектрики, сегнетоэлектрики; электрооптические явления, электрооптические затворы и модуляторы), пьезоэлектрический эффект.
2. Среда кристаллизации.; Кристаллизация в твердом состоянии (расстекловывание, полиморфные превращения), жидкость - твердое (кристаллизация из расплава, кристаллизация из растворов, кристаллизация из газовой фазы).
3. Движущая сила роста кристаллов (химический потенциал, величина пересыщения).
4. Процессы зародышеобразования. Факторы, определяющие зародышеобразование: удельная поверхностная энергия, работа образования зародышей, критическое пересыщение, размер критического зародыша, гомогенное и гетерогенное образование зародышей, метастабильная и лабильная области, причины существования метастабильной области. Дефекты в кристаллах.
5. Механизмы роста кристаллов: двумерное зародышеобразование, слоисто-спиральный, нормальный рост, строение межфазовой границы, краевые и винтовые дислокации, вектор Бюргерса, периодические цепи связи и оценка поверхностной энергии, F, S и К -грани, теория Джексона.
6. Зависимость между величиной пересыщения и морфологией кристаллов: огрубление границы жидкость–кристалл, соотношение между величиной пересыщения и скоростью роста, лимитирующая стадия процесса роста, диффузионный и кинетический режимы роста кристаллов.
7. Фазовые диаграммы. Правило фаз Гиббса. Однокомпонентные системы. Двухкомпонентные системы (с промежуточным соединением, плавящимся конгруэнтно; с соединением, плавящимся инконгруэнтно; диаграммы с твердыми растворами; пять типов диаграмм по Розебуму).
8. Захват примесей: гомогенный, гетерогенный захват, зонарная, секториальная, структурная неоднородности, коэффициенты распределения примеси (равновесный, статистический коэффициенты распределения).
9. Влияние примесей на процессы роста и морфологию кристаллов. Роль сильно адсорбирующей примеси.
10. Процессы выращивания кристаллов из расплавов: физико-химические основы выращивания; процессы, влияющие на состав расплава; термическая диссоциация; процессы теплопереноса, определяющие распределение температур в расплаве и кристалле; процессы массопереноса. Методы с большим объемом расплава: Киропулоса, Чохральского, Стокбаргера–Бриджмена;, методы с малым объемом расплава: Вернейля, зонная плавка.
11. Выращивание кристаллов из растворов: низко-, средне- и высокотемпературные растворы, основы выращивания кристаллов из растворов, кристаллизация, правило выбора способа кристаллизации.
12. Кристаллизация из паровой фазы: физико-химические закономерности роста; методы с использованием физической конденсациию; катодное распыление; метод молекулярных пучков; метод объемной паровой фазы; кристаллизация в потоке инертного газа; методы кристаллизации с участием химических реакций.
Учебно-методическое обеспечение дисциплины
3.1 Образцы вопросов для подготовки к диф. зачету
1. Факторы, определяющие зародышеобразование.
2. Физико-химические основы выращивания кристаллов из паровой фазы.
3. Третий тип (по Розебуму) диаграмм двухкомпонентных систем с твердыми растворами.
4. Механизмы роста кристаллов.
5.. Двухкомпонентные системы при отсутствии твердых растворов
6. Зависимость между величиной пересыщения и механизмом роста кристаллов.
7. Методы выращивания кристаллов из расплавов.
8. Двухкомпонентная система при отсутствии твердых растворов с промежуточным соединением.
Список литературы
Хонигман Б. Рост и форма кристаллов. М.: Иностр. лит., 1961.
Вильке К. Т. Методы выращивания кристаллов. Л.: Недра, 1968.
Лодиз Р., Паркер Р. Рост монокристаллов. М.: Иностр. лит., 1974.
Процессы реального кристллообразования. М.: Наука, 1974.
Современная кристаллография. М.: Наука, 1980. Т. 3.