Применения кристаллов в науке и технике так многочисленны и разнообразны, что их трудно перечислить. Поэтому ограничимся несколькими примерами.
Самый твердый и самый редкий из природных минералов - алмаз.
Благодаря своей исключительной твердости алмаз играет громадную роль в технике. Алмазными пилами распиливают камни. Колоссальное значение имеет алмаз при бурении горных пород, в горных работах.
В граверных инструментах, делительных машинах, аппаратах для испытания твердости, сверлах для камня и металла вставлены алмазные острия.
Алмазным порошком шлифуют и полируют твердые камни, закаленную сталь, твердые и сверхтвердые сплавы. Сам алмаз можно резать, шлифовать и гравировать тоже только алмазом. Наиболее ответственные детали двигателей в автомобильном и авиационном производстве обрабатывают алмазными резцами и сверлами.
Рубин и сапфир относятся к самым красивым и самым дорогим из драгоценных камней. У всех этих камней есть и другие качества, более скромные, но полезные.
Вся часовая промышленность работает на искусственных рубинах. На полупроводниковых заводах тончайшие схемы рисуют рубиновыми иглами. В текстильной и химической промышленности рубиновые нитеводители вытягивают нити из искусственных волокон, из капрона, из нейлона.
Новая жизнь рубина - это лазер или, как его называют в науке, оптический квантовый генератор (ОКГ). В 1960г. был создан первый лазер на рубине. Оказалось, что кристалл рубина усиливает свет.Для рубинового лазера наименьший диаметр светового пятна составляет примерно 0,7 мкм. Таким образом, можно создать чрезвычайно высокую плотность излучения. То есть максимально сконцентрировать энергию. Мощный луч лазера громадный мощностью. Он легко прожигает листовой металл, сваривает металлические провода, прожигает металлические трубы, сверлит тончайшие отверстия в твердых сплавах, алмазе. Эти функции выполняет твердый лазер, где используется рубин, гранат с неодитом. В глазной хирургии применяется чаще всего неодиновые лазеры и лазеры на рубине. В наземных системах ближнего радиуса действия часто используются инжекционные лазеры на арсениде галлия. Появились и новые лазерные кристаллы: флюорит, гранаты, арсенид галлия и др.
Сапфир прозрачен, поэтому из него делают пластины для оптических приборов.
Основная масса кристаллов сапфира идет в полупроводниковую промышленность.
Кремень, аметист, яшма, опал, халцедон - все это разновидности кварца. Поэтому из прозрачного кварца делают линзы, призмы и др. детали оптических приборов. Кварцевое стекло обладает следующими качествами:
Высокая однородность и хорошее пропускание в ультрафиолетовом, видимом и ближнем инфракрасном диапазонах;
Отсутствие флюоресценции;
Низкий коэффициент теплового расширения;
Высокая устойчивость к механическим повреждениям и тепловому удару;
Низкая пузырность.
Особенно удивительны электрические свойства кварца. Если сжимать или растягивать кристалл кварца, на его гранях возникают электрические заряды. Это - пьезоэлектрический эффект в кристаллах.
В наши дни в качестве пьезоэлектриков используют не только кварц, но и многие другие, в основном искусственно синтезированные вещества: синетову соль, титанат бария, дигидрофосфаты калия и аммония (КДР и АДР) и многие другие.
Пьезоэлектрические кристаллы широко применяются для воспроизведения, записи и передачи звука.
Существуют и пьезоэлектрические методы измерения давления крови в кровеносных сосудах человека и давления соков в стеблях и стволах растений.Пьезоэлектропластинками измеряют, например, давление в стволе артиллерийского орудия при выстреле, давление в момент взрыва бомбы, мгновенные давления в цилиндрах двигателей при взрыве в них горячих газов.
В технике также нашел своё применение поликристаллический материал поляроид.
Поляроид - это тонкая прозрачная пленка, сплошь заполненная крохотными прозрачными игольчатыми кристалликами вещества, двупреломляющего и поляризующего свет. Все кристаллики расположены параллельно друг другу, поэтому все они одинаково поляризуют свет, проходящий через пленку.
Поляроидные пленки применяются в поляроидных очках. Поляроиды гасят блики отраженного света, пропуская весь остальной свет. Они незаменимы для полярников, которым постоянно приходится смотреть на ослепительное отражение солнечных лучей от заледеневшего снежного поля.
Жидкие кристаллы
Жи́дкие криста́ллы - вещества, обладающие одновременно свойствами как жидкостей (текучесть), так и кристаллов (анизотропия). По структуре ЖК представляют собой жидкости, похожие на желе, состоящие из молекул вытянутой формы, определённым образом упорядоченных во всем объёме этой жидкости. Наиболее характерным свойством ЖК является их способность изменять ориентацию молекул под воздействием электрических полей, что открывает широкие возможности для применения их в промышленности. По типу ЖК обычно разделяют на две большие группы: нематики и смектики. В свою очередь нематики подразделяются на собственно нематические и холестерические жидкие кристаллы.
Одно из важных направлений использования жидких кристаллов - термография. Подбирая состав жидкокристаллического вещества, создают индикаторы для разных диапазонов температуры и для различных конструкций. Например, жидкие кристаллы в виде плёнки наносят на транзисторы, интегральные схемы и печатные платы электронных схем. Неисправные элементы - сильно нагретые или холодные, неработающие - сразу заметны по ярким цветовым пятнам. Новые возможности получили врачи: жидкокристаллический индикатор на коже больного быстро диагностирует скрытое воспаление и даже опухоль.
С помощью жидких кристаллов обнаруживают пары́ вредных химических соединений и опасные для здоровья человека гамма- и ультрафиолетовое излучения. На основе жидких кристаллов созданы измерители давления, детекторы ультразвука. Но самая многообещающая область применения жидкокристаллических веществ - информационная техника. От первых индикаторов, знакомых всем по электронным часам, до цветных телевизоров с жидкокристаллическим экраном размером с почтовую открытку прошло лишь несколько лет. Такие телевизоры дают изображение весьма высокого качества, потребляя меньшее количество энергии.
В основе функционирования любой ЖКИ-панели лежит принцип изменения прозрачности (точнее, изменения поляризации проходящего света) у жидких кристаллов под воздействием электрического тока. В TFT-матрице слой жидких кристаллов управляется матрицей из микроскопических транзисторных аналоговых ключей, по одному ключу на каждый пиксел изображения, что позволяет добиться высокой скорости включения-выключения точек и повысить контрастность изображения. Поскольку жидкие кристаллы сами по себе не имеют цвета, в цветной панели имеется три слоя жидких кристаллов (либо специальная однослойная мозаичная структура) с соответствующими светофильтрами для каждой цветовой составляющей (красный, зеленый, синий). Жидкие кристаллы не могут сами светиться, поэтому для того, чтобы придать экрану привычный светящийся вид, за ЖКИ-панелью установлена специальная плоская лампа, подсвечивающая экран с обратной стороны. В результате пользователю кажется, что матрица "светится", как обычный экран ЭЛТ.
Виды травления: сухое (плазменное) и жидкостное (в жидких травителях, кислота HF). Преимущества сухого травления: возможность контроля анизотропии, возможность контроля селективности, слабая зависимость травления от адгезии защитной маски к подложке, не требует последующих операция промывки и сушки, экономичнее травления в жидких реактивах. Недостатки : повреждение поверхности материалов под действием бомбардировки ионами, электронами и фотонами. Сухое травление делится на:
Основные характеристики сухого травления: анизотропность – отношение скорости травления рабочего материала по нормали к поверхности пластины к скорости его бокового травления; селективность – отношение скоростей травления различных материалов (например рабочего и маски) при одинаковых условиях.
Ионное травление – процесс, при котором поверхностные слои материалов удаляются только в результате физического распыления. Распыление осуществляется энергетическими ионами газов, которые не вступают в химические реакции с обрабатываемым материалом (обычно ионы инертных газов). Если обрабатываемые материал помещен на электродах или держателях, соприкасающихся с плазмой разряда, то травление в таких условиях называют ионно-плазменным . Если же материал помещен в вакуумную зону обработки, отделенную от области плазмы, то травление называют ионно-лучевым.
В плазмохимическом травлении поверхностные слои материалов удаляются только в результате химических реакций между химически активными частицами и атомами травимого вещества. Если обрабатываемый материал находится в области плазмы разряда, то травление называют плазменным. В этом случае химические реакции травления на поверхности материала будут активироваться с помощью бомбардировки низкоэнергетических электронов и ионов, и также фотонной бомбардировки. Если же материал находится в вакуумной зоне обработки, обычно называемой реакционной зоной и отделенной от области плазмы, то травление производят химически активными частицами без активации электронной и ионной бомбардировками, а в ряде случаев и при отсутствии воздействия фотонов. Такое травление называют радикальным .
Плазма используется в основных трех процессах: для травления материалов, для напыления а поверхность материалов тонких пленок (других материалов), для легирования (имплантации) внутрь материала других частиц.
Современное применение плазменных технологий. Основной процесс в технологии фотолитографии (травление металла, plasma ashing (озоление), plasma de-scum(снятие резиста))! Также применяется в технологиях создания: NEMS, MEMS, микроэлектроника, наноэлектроника, гироскопы, акселерометры, травление полимеров, полимерные микроструктуры, керамические микроструктуры, технологии глубокого травления (с высоким аспектным соотношением: отношение между размером характерного элемента и глубиной травления).
С давних времен человечество использует кристаллы. Изначально это были природные кристаллы, которые использовались в качестве орудия труда и средства для лечения и медитации. Позже редкие камни и драгоценные металлы начали выступать в роли денежных средств. Фундаментальные научные исследования и открытия XX столетия позволили разработать методы получения искусственных кристаллов и существенно расширить области их применения.
Монокристалл — это однородный кристалл, который имеет непрерывную кристаллическую решетку и анизотропию свойств. Внешняя форма монокристалла зависит от атомно-кристаллического строения и условий кристаллизации. Примерами монокристаллов могут послужить монокристаллы кварца, каменной соли, исландского шпата, алмаза, топаза.
Если скорость выращивания кристалла будет высокой, то будут образовываться поликристаллы, которые имеют большое количество монокристаллов. Монокристаллы высокочистых веществ имеют одинаковые свойства независимо от метода получения.
На сегодняшний день насчитывают около 150 способов получения монокристаллов: паровая фаза, жидкая фаза (растворов и расплавов) и твердая фаза.
На кафедре высокотемпературных материалов и порошковой металлургии последним методом выращиваю монокристаллы гексаборид лантана и различных эвтектических сплавов на его основе. С монокристаллов этих соединений изготавливают катоды, используемых в эмиссионной технике.
Благодаря развитию электротехники и электроники, использование монокристаллов увеличивается из года в год. Детали, выполненные из высокочистых монокристаллических материалов можно увидеть во всех новых моделях электронных приборов, от радиоприемников до больших электронно-расчетных машин.
В технике не хватает набора свойств природных кристаллов, поэтому ученые разработали сложный технологический метод создания кристаллоподобных веществ с промежуточным свойством, путем выращивания сверхтонких слоев (единицы-десятки нанометров) чередующихся кристаллов с подобными кристаллическими решетками — метод эпитаксии. Эти кристаллы получили название фотонных кристаллов.
В фотонных кристаллах есть запрещенные энергетические зоны — это значения энергии фотонов, которые не могут проникать в кристалл и растворяться в нем. Если же энергия кванта света имеет допустимое значение, то он успешно пройдет через кристалл. То есть фотонные кристаллы могут исполнять роль светового фильтра, который пропускает фотоны с определенными значениями энергии и отсеивает все остальные.
Фотонные кристаллы имеют 3 группы, которые определяются количеством пространственных осей, в которых изменяется показатель преломления. По этому критерию кристаллы делят на одно-, двух- и трехмерные.
Известным представителем фотонных кристаллов является опал, имеющий удивительный цветной узор, который появляется именно благодаря существованию запрещенных энергетических зон.
Монокристаллы искусственных сапфиров только в незначительной степени уступают твердости алмаза и имеют высокую устойчивость к царапанью, что позволяет применять их в качестве защитных экранов в электронных устройствах (планшетах, смартфонах и т.д.). Применение метода Чохральского позволяет получать огромные монокристаллы искусственных сапфиров.
В наше время ученые все чаще говорят о нанокристаллах . Нанокристаллы могут иметь размер от 1 до 10 нм, что зависит от вида нанокристаллов , а также от их метода получения. Обычно они имеют 100 нм для керамики и металлов, 50 нм для алмаза и графита, и 10 нм для полупроводников. Размер нанокристаллов влияет на появление необычных свойства в привычных веществах.
(Visited 1 333 times, 1 visits today)
В природе монокристаллы большинства веществ без трещин, загрязнений и других дефектов встречаются крайне редко. Это привело к тому, что многие кристаллы на протяжении тысячелетий люди называют драгоценными камнями. Алмаз, рубин, сапфир, аметист и другие драгоценные камни долгое время ценились людьми очень высоко в основном не за особые механические пли другие физические свойства, а лишь из-за своей редкости.
Развитие науки и техники привело к тому, что многие драгоценные камни или просто редко встречающиеся в природе кристаллы стали очень нужными для изготовления деталей приборов и машин, для выполнения научных исследований. Потребность во многих кристаллах возросла настолько, что удовлетворить ее за счет расширения масштабов выработки старых и поисков новых природных месторождений оказалось невозможно.
Кроме того, для многих отраслей техники и особенно для выполнения научных исследований все чаще требуются монокристаллы очень высокий химической чистоты с совершенной кристаллической структурой. Кристаллы, встречающиеся в природе, этим требованиям не удовлетворяют, так как они растут в условиях, весьма далеких от идеальных.
Таким образом, возникла задача разработки технологии искусственного изготовления монокристаллов многих элементов и химических соединений.
Разработка сравнительно простого способа изготовления «драгоценного камня» приводит к тому, что он перестает быть драгоценным. Объясняется это тем, что большинство драгоценных камней является кристаллами широко распространенных в природе химических элементов и соединений. Так, алмаз - это кристалл углерода, рубин и сапфир - кристаллы окиси алюминия с различными примесями.
Рассмотрим основные способы выращивания монокристаллов. На первый взгляд может показаться, что осуществить кристаллизацию из расплава очень просто. Достаточно нагреть вещество выше температуры плавления, получить расплав, а затем охладить его. В принципе это правильный путь, но если не принять специальных мер, то в лучшем случае получится поликристаллический образец. А если опыт проводить, например, с кварцем, серой, селеном, сахаром, способными в зависимости от скорости охлаждения их расплавов затвердевать в кристаллическом или аморфном состоянии, то нет никакой гарантии, что не будет получено аморфное тело.
Для того чтобы вырастить один монокристалл, недостаточно медленного охлаждения. Нужно сначала охладить один небольшой участок расплава и получить в нем «зародыш» кристалла, а затем, последовательно охлаждая расплав, окружающий «зародыш», дать возможность разрастись кристаллу по всему объему расплава. Этот процесс можно обеспечить медленным опусканием тигля с расплавом сквозь отверстие в вертикальной трубчатой печи. Кристалл зарождается на дне тигля, так как оно раньше попадает в область более низких температур, а затем постепенно разрастается по всему объему расплава. Дно тигля специально делают узким, заостренным на конус, чтобы в нем мог расположиться только один кристаллический зародыш.
Этот способ часто применяется для выращивания кристаллов цинка, серебра, алюминия, меди и других металлов, а также хлористого натрия, бромистого калия, фтористого лития и других солей, используемых оптической промышленностью. За сутки можно вырастить кристалл каменной соли массой порядка килограмма.
Недостатком описанного метода является загрязнение кристаллов материалом тигля.
Этого недостатка лишен бестигельный способ выращивания кристаллов из расплава, которым выращивают, например, корунд, (рубины, сапфиры). Тончайший порошок окиси алюминия из зерен размером 2-100 мкм высыпается тонкой струёй из бункера, проходит через кислородно-водородное пламя, плавится и в виде капель попадает на стержень из тугоплавкого материала. Температура стержня поддерживается несколько ниже температуры плавления окиси алюминия (2030°С). Капли окиси алюминия охлаждаются на нем и образуют корку спекшейся массы корунда. Часовой механизм медленно (10-20 мм/ч) опускает стержень, и на нем постепенно вырастает не ограненный кристалл корунда.
Как и в природе, получение кристаллов из раствора сводится к двум способам. Первый из них состоит в медленном испарении растворителя из насыщенного раствора, а второй - в медленном понижении температуры раствора. Чаще применяют второй способ. В качестве растворителей используют воду, спирты, кислоты, расплавленные соли и металлы. Недостатком методов выращивания кристаллов из раствора является возможность загрязнения кристаллов частицами растворителя.
Кристалл растет из тех участков пересыщенного раствора, которые его непосредственно окружают. В результате этого вблизи кристалла раствор оказывается менее пересыщенным, чем вдали от него. Так как пересыщенный раствор тяжелее насыщенного, то над поверхностью растущего кристалла всегда имеется направленный вверх поток «использованного» раствора. Без такого перемешивания раствора рост кристаллов быстро бы прекратился. Поэтому часто дополнительно перемешивают раствор или закрепляют кристалл на вращающемся держателе. Это позволяет выращивать более совершенные кристаллы.
Чем меньше скорость роста, тем лучше получаются кристаллы. Это правило справедливо для всех методов выращивания. Кристаллы сахара и поваренной соли легко получить из водного раствора в домашних условиях. Но, к сожалению, не все кристаллы можно вырастить так просто. Например, получение кристаллов кварца из раствора происходит при температуре 400°С и давлении 1000 ат.
Применения кристаллов в науке и технике так многочисленны и разнообразны, что их трудно перечислить. Поэтому ограничимся несколькими примерами.
Самый твердый и самый редкий из природных минералов - алмаз. За всю историю человечества его добыто всего около 150 т, хотя в мировой алмазодобывающей промышленности сейчас работает почти миллион человек. Сегодня алмаз в первую очередь камень-работник, а не камень-украшение. Около 80% всех добываемых природных алмазов и все искусственные алмазы используются в промышленности. Роль алмазов в современной технике так велика, что, по подсчетам американских экономистов, прекращение применения алмазов привело бы к уменьшению мощности промышленности США вдвое.
Примерно 80% применяемых в технике алмазов идет на заточку инструментов и резцов "сверхтвердых сплавов". Алмазы служат опорными камнями (подшипниками) в хронометрах высшего класса для морских судов и в других особо точных навигационных приборах. На алмазных подшипниках не обнаруживается никаких следов износа даже после 25 000 000 оборотов.
Несколько уступая алмазу по твердости, соревнуется с ним но разнообразию технических применении рубин - благородный корунд, окись алюминия Al 2 O 3 с красящей примесью окиси хрома. Из 1 кг синтетического рубина удается изготовить около 40 000 опорных камней для часов. Незаменимыми оказались рубиновые стержни на фабриках по изготовлению тканей из химического волокна. На изготовление 1 м ткани из искусственного волокна требуется израсходовать сотни тысяч метров волокна. Нитеводители из самого твердого стекла изнашиваются за несколько дней при протяжке через них искусственного волокна, агатовые способны работать до двух месяцев, рубиновые нитеводители оказываются практически вечными.
Новая область для широкого применения рубинов в научных исследованиях и в технике открылась с изобретением рубинового лазера - прибора, в котором рубиновый стержень служит мощным источником света, испускаемого в виде тонкого светового луча.
Исключительная роль выпала на долю кристаллов в современной электронике. Большинство полупроводниковых электронных приборов изготовлено из кристаллов германия или кремния.
Кристаллы и кристаллические материалы находят применение во многих приборах и устройствах, с которыми мы сталкиваемся каждый день. Кристаллы используются: В компьютерах и мобильных телефонах, Аудио- и видеотехнике. Без кристаллов не могут работать многие сложные современные устройства для обработки, передачи и хранения информации, Кристаллы применяются для трансформации одного вида энергии в другой Кристаллы нужны для создания когерентных источников света и управления лазерным излучением Великолепие кристаллов издревле вдохновляет людей на создание красивейших ювелирных украшений и декоративных изделий. Кристаллы необходимы для обработки поверхностей. Потребность в кристаллах в мире очень высока Десятки тысяч тонн разнообразных кристаллов выращиваются ежегодно, и специалисты по росту и исследованию кристаллов постоянно востребованы как у нас в стране, так и за рубежом. Работы по созданию технологий кристаллических материалов входят в Перечень Приоритетных направлений развития науки, технологий и техники Российской Федерации, утвержденный Президентом РФ.
Использование алмазов Так выглядят алмазные резцы для обработки контактных линз. В промышленности часто используются инструменты, покрытые алмазным порошком. Прочность алмаза делает его наиболее подходящим материалом, который применяется при изготовлении тонкой проволоки, в частности нитей накаливания электрических лампы.
Хотя почти все драгоценные камни царапают стекло, успешно отрезать полоску стекла можно только алмазом Алмазный стеклорез Два ребра кристалла сходятся под острым углом. Этим требованиям лучше всего отвечают два ребра ромбододекаэдра. .
Лазер Лазер (англ.) – это усиление света в результате вынужденного излучения. Основа лазера - рубиновый стержень. Торцы его строго параллельны друг другу. Работает в импульсном режиме на длине волны 694 мм (темно-вишневый свет), мощность излучения может достигать в импульсе 106–109 Вт.
Важнейшую роль в получении лазерного луча играет кристалл рубина (Al2O3) с добавкой хрома. На схеме обозначены:1. Рабочая среда2. Энергия накачки лазера3. Непрозрачное зеркало4. Полупрозрачное зеркало5. Лазерный луч Лазеры нашли широкое применение в промышленности для различных видов обработки материалов: Сверление отверстий сварки тонких изделий. Основная область применения маломощных импульсных лазеров с микроэлектроникой: В электровакуумной промышленности Машиностроении Медицине.
Небольшой лазер, однако он может прожечь материалы различного типа и на достаточно большом расстоянии. В качестве источника питания используется 8 достаточно немаленьких батареек. Их хватит на 100 выстрелов. Мощность выходного потока - 3 Дж/с.
Кварцевые часы - часы, в которых в качестве колебательной системы применяется кристалл кварца. Высокая твёрдость рубинов, или корундов, обусловила их широкое применение в промышленности. Из 1 кг синтетического рубина получается около 40 000 опорных камней для часов. Незаменимыми оказались рубиновые стержни-нитеводители на фабриках по изготовлению химического волокна. Они практически не изнашиваются. Нитеводители из самого твёрдого стекла при протяжке через них искусственного волокна изнашиваются за несколько дней.
Жидкие кристаллы Жидкие кристаллы. Это необычные вещества, которые совмещают в себе свойства кристаллического твёрдого тела и жидкости. Подобно жидкостям они текучи, подобно кристаллам обладают а н и з о т р о п и е й. .
Строение молекул жидких кристаллов таково, что концы молекул очень слабо взаимодействуют друг с другом, в то же время боковые поверхности взаимодействуют очень сильно и могут прочно удерживать молекулы в едином ансамбле. Жидкие кристаллы: смектические (слева) и холестерические (справа) Жидкие кристаллы были открыты еще в 1888 году. Но практическое применение они нашли только тридцать лет назад. «Жидкокристаллическим» называют переходное состояние вещества, при котором оно приобретает текучесть, но при этом не теряет свою кристаллическую структуру.
Наибольший интерес для техники представляют холестерические жидкие кристаллы. В них направление осей молекул в каждом слое немного отличается друг от друга. Углы поворота осей зависят от температуры, а от угла поворота зависит окраска кристалла. Эта зависимость используется в медицине: можно непосредственно наблюдать распределение температуры по поверхности человеческого тела.Жидкокристаллический термометр в виде цветовой индикаторной полоски.
Буквенно-цифровые индикаторы электронных часов, микрокалькуляторов. Нужная цифра или буква воспроизводится с помощью комбинации небольших ячеек, выполненных в виде полосок. Каждая ячейка заполнена жидким кристаллом и имеет два электрода, на которые подаётся напряжение. В зависимости от величины напряжения, «загораются» те или иные ячейки.
труктура жидких кристаллов - растворов имеет огромное значение для жизнедеятельности организма: для циркуляции крови переноса ею кислорода функционирование клеток мозга для работы разнообразных клеточных мембран. Дефекты структур мембраны приводят к заболеванию организма. Образование холестерических и тем более жидких смектических кристаллов в крови вызывает сердечно-сосудистые заболевания. При неблагоприятной концентрации различных компонентов в желчи образуются сначала не полностью твёрдые кристаллы, а затем и «камни».
Жидкие кристаллы применяются в различного рода управляемых экранах, оптических затворах, плоских телевизионных экранах. Экран ЖК - телевизора представляет собой, если можно так выразиться, многослойный «сэндвич».
Полупроводники Многие кристаллы не являются хорошими проводниками электричества, как металлы, но их нельзя отнести и к диэлектрикам, т.к. они не являются и хорошими изоляторами. Это полупроводники. 4/5 массы земной коры: германий, кремний, селен и др., множество минералов, различные оксиды, сульфиды - являются полупроводниками.
Полупроводники в микроэлектронике Под воздействием температуры, освещения изменяется удельное электрическое сопротивление полупроводника. На этом явлении основана работа термисторов, фоторезисторов. Изготавливают фоторезисторы из сернистого свинца, сернистого кадмия, селенистого кадмия, имеющих кристаллическую структуру. Фоторезисторы находят широкое применение: 1.Контроль за запыленностью и задымленностью помещений 2.Автоматические выключатели уличного освещения 3.Турникеты в метрополитене 4.Сортировка и счёт готовой продукции 5.Контроль качества и готовности различных деталей.
Исключительно малые размеры полупроводниковых приборов (иногда всего в несколько миллиметров), долговечность, связанная с тем, что их свойства мало меняются со временем, возможность легко изменять их электропроводность дают широкие возможности для использования полупроводников. Терморезистор нового поколения безупречно обеспечивает срабатывание при заданной температуре.
Интегральные микросхемы Это совокупность большого числа взаимосвязанных компонентов – транзисторов, диодов, резисторов, конденсаторов, соединительных проводов, изготовленных на одном кристалле. На пластинку из полупроводника (кристаллы кремния) наносятся последовательно слои примесей, диэлектриков, напыляются слои металла. На одном кристалле формируется несколько тысяч электрических микроприборов. Размеры такой микросхемы обычно 5,5 мм, а отдельных микроприборов – порядка 10–6 м. Современный процессор Pentium-4 состоит из 42 млн. транзисторов. .Интегральные микросхемы- (две фотографии слева), и часть ядра Pentium ММХ (фотография справа)
Пьезоэффект Если из кристалла кварца (кварц-диэлектрик) вырезать определённым образом пластинку и поместить её между двумя электродами, то при сжатии кварцевой пластинки на электродах появятся равные по величине, но различные по знаку заряды. Пьезоэлектрический эффект в сильной степени проявляется в кристаллах титана, свинца, его производных. Такие кристаллы – основа пьезоэлектрических микрофонов и телефонов. Они преобразуют давление в электродвижущую силу в манометрах, служат для стабилизации частоты радиопередатчиков, измерения механических напряжений и вибраций.
Источники света В современных световых источниках холодный свет от прожектора по кабелям стекловолокна проходит к световому наконечнику (кристаллу), который дает направленный поток света, свободного от ультафиолетового и инфракрасного излучения, и следовательно благоприятного на глаз. Для декоративного светового отражения применяются гранёные кристаллы, имеющие остроконечные, полукруглые и круглые формы.
И так..... На сегодняшний день можно смело утверждать: без кристаллов большая часть сфер деятельности человека станет не возможна, в связи с огромной областью их использования. Одни кристаллы используют для чипов, лазеров, ювелирных изделий, для нано электронных устройств. Из других делают термо индикаторы, сенсоры, имплантаты, подшипники, часовые стекла, скальпели, оптические стёкла. Третьи предназначены для оптических компьютеров, люминофоров, сцинтилляторов, дисплеев ноутбуков.
Кристаллы - синие, зелёные, красные, прозрачные, с металлическим блеском, самосветящиеся, магнитные, электрические, звучащие, вибрирующие, сверхтвердые и даже жидкие, сверхпрочные и пластичные, проницаемые, как сито, меняющие свой цвет и форму, ограненные, пластинчатые и даже волокнистые и деревообразные.Всё это физика твёрдого тела и многогранники!
1 слайд
2 слайд
Применения кристаллов в промышленности так многочисленны и разнообразны, что их трудно перечислить. Поэтому ограничимся несколькими примерами.
3 слайд
Самый твердый и самый редкий из природных минералов - алмаз. Сегодня алмаз в первую очередь камень-работник, а не камень-украшение. Благодаря своей исключительной твердости алмаз играет громадную роль в технике. Алмазными пилами распиливают камни. Алмазная пила - это большой (до 2-х метров в диаметре) вращающийся стальной диск, на краях которого сделаны надрезы или зарубки. Мелкий порошок алмаза, смешанный с каким-нибудь клейким веществом, втирают в эти надрезы. Такой диск, вращаясь с большой скоростью, быстро распиливает любой камень.
4 слайд
Колоссальное значение имеет алмаз при бурении горных пород, в горных работах. В граверных инструментах, делительных машинах, аппаратах для испытания твердости, сверлах для камня и металла вставлены алмазные острия. Алмазным порошком шлифуют и полируют твердые камни, закаленную сталь, твердые и сверхтвердые сплавы. Сам алмаз можно резать, шлифовать и гравировать тоже только алмазом. Наиболее ответственные детали двигателей в автомобильном и авиационном производстве обрабатывают алмазными резцами и сверлами.
5 слайд
Рубин и сапфир относятся к самым красивым и самым дорогим из драгоценных камней. У всех этих камней есть и другие качества, более скромные, но полезные. Кроваво-красный рубин и лазарево-синий сапфир - это родные братья, это вообще один и тот же минерал - корунд, окись алюминия А12О3. Разница в цвете возникла из-за очень малых примесей в окиси алюминия: ничтожная добавка хрома превращает бесцветный корунд в кроваво-красный рубин, окись титана - в сапфир. Есть корунды и других цветов. Есть у них ещё совсем скромный, невзрачный брат: бурый, непрозрачный, мелкий корунд - наждак, которым чистят металл, из которого делают наждачную шкурку. Корунд со всеми его разновидностями - это один из самых твердых камней на Земле, самый твердый после алмаза. Корундом можно сверлить, шлифовать, полировать, точить камень и металл. Из корунда и наждака делают точильные круги и бруски, шлифовальные порошки.
6 слайд
Вся часовая промышленность работает на искусственных рубинах. На полупроводниковых заводах тончайшие схемы рисуют рубиновыми иглами. В текстильной и химической промышленности рубиновые нитеводители вытягивают нити из искусственных волокон, из капрона, из нейлона.
7 слайд
Новая жизнь рубина - это лазер или, как его называют в науке, оптический квантовый генератор (ОКГ), чудесный прибор наших дней. В 1960г. был создан первый лазер на рубине. Оказалось, что кристалл рубина усиливает свет. Лазер светит ярче тысячи солнц. Мощный луч лазера громадный мощностью. Он легко прожигает листовой металл, сваривает металлические провода, прожигает металлические трубы, сверлит тончайшие отверстия в твердых сплавах, алмазе. Эти функции выполняет твердый лазер, где используется рубин, гранат с неодитом. В глазной хирургии применяется чаще всего неодиновые лазеры и лазеры на рубине. В наземных системах ближнего радиуса действия часто используются инжекционные лазеры на арсениде галлия.
8 слайд
Появились и новые лазерные кристаллы: флюорит, гранаты, арсенид галлия и др. Сапфир прозрачен, поэтому из него делают пластины для оптических приборов. Основная масса кристаллов сапфира идет в полупроводниковую промышленность. Кремень, аметист, яшма, опал, халцедон - все это разновидности кварца. Мелкие зернышки кварца образуют песок. А самая красивая, самая чудесная разновидность кварца - это и есть горный хрусталь, т.е. прозрачные кристаллы кварца. Поэтому из прозрачного кварца делают линзы, призмы и др. детали оптических приборов.
9 слайд
Полупроводниковые приборы, революционизировавшие электронику, изготавливаются из кристаллических веществ, главным образом кремния и германия. При этом важную роль играют легирующие примеси, которые вводятся в кристаллическую решетку. Полупроводниковые диоды используются в компьютерах и системах связи, транзисторы заменили электронные лампы в радиотехнике, а солнечные батареи, помещаемые на наружной поверхности космических летательных аппаратов, преобразуют солнечную энергию в электрическую. Полупроводники широко применяются также в преобразователях переменного тока в постоянный. Кристаллы сыграли важную роль во многих технических новинках 20 в. Некоторые кристаллы генерируют электрический заряд при деформации. Первым их значительным применением было изготовление генераторов радиочастоты со стабилизацией кварцевыми кристаллами. Заставив кварцевую пластинку вибрировать в электрическом поле радиочастотного колебательного контура, можно тем самым стабилизировать частоту приема или передачи.
10 слайд
Кристаллы используются также в некоторых мазерах для усиления волн СВЧ - диапазона и в лазерах для усиления световых волн. Кристаллы, обладающие пьезоэлектрическими свойствами, применяются в радиоприемниках и радиопередатчиках, в головках звукоснимателей и в гидролокаторах. Некоторые кристаллы модулируют световые пучки, а другие генерируют свет под действием приложенного напряжения. Перечень видов применения кристаллов уже достаточно длинен и непрерывно растет.
