нитевидные кристаллы

НИТЕВИДНЫЕ КРИСТАЛЛЫ - микроскопия, монокристаллы с очень большим ( 10) отношением длины l к диаметру 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. встречаются поликрнсталлнческие и аморфные - их чаще наз. волокнами или нитями. Им родственны также др. кристаллич. тела: дендриты, сферолиты (см. Кристаллизация).
Сильно анизотропная форма Н. к., с одной стороны, является следствием либо специфич. механизмов и кинетики их образования (роста), либо сильной анизотропии внутр. структуры данного материала; с др. 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 газовой фазы. Напр., Н. к. Si растут при реакции SiCl₄ + 2Н₂Si + 4HC1. При этом механизм их роста в длину происходит, как правило, по схеме пар - жидкость - кристалл. На вершине растущего кристалла находится капля раствора кристаллизуемого вещества (в данном случае Si) в к--л. др. веществе (напр., Аu). Эта капля играет роль катализатора роста: термодинамически возможная, но кинетически заторможенная реакция протекает преим. на поверхности капли раствора, создавая в ней необходимое пере-сыщение. Атомы диффундируют сквозь каплю и осаждаются на границе жидкость - кристалл, а капля отодвигается, оставаясь всё время на вершине Н. к. и почти не изменяясь в размерах. В итоге 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. роль примесей, к-рые инициируют их рост) и позволяет создавать методы их управляемого выращивания (рис. 2). Существенно, что при росте по такому механизму не нужны винтовые дислокации, роль к-рых сильно преувеличивалась в ранних теориях роста Н. к.

Рис. 1. Нитевидные кристаллы Si на участке монокристаллической подложки Si, предварительно покрытой частицами металла Аu, инициирующими их рост (х 3000).

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

Механизмы роста Н. к. из др. сред менее ясны. Из растворов Н. к. лучше растут на пористых подложках, выталкиваясь от 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 гранях и тормозят рост во всех направлениях, кроме одного. Сравнительно легко Н. к. растут в гелях и из электролитич. растворов.
Механизмы роста Н. к. из твёрдой фазы различны. Чаще всего их рост наблюдается на плёнках легкоплавких металлов и сплавов, нанесённых на разные подложки, и походит на экструзию под действием механич. напряжений в системе плёнка - подложка. Н. к. образуются также в 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 их формирования пока много неясного. В их образовании часто большую роль играют разл. несовершенства - дислокации (особенно винтовые), дефекты упаковки, микродвойники и др. дефекты.
Изложенные механизмы и примеры характерны для случаев, когда данный кристалл относится к т. н. высокосимметричным сингониям, а потому его равновесные формы изометричны. В случае низших сингоний (триклииной, моноклинной и др.) собственная внутр. структура кристаллов такова, что их равновесная форма, как и близкие ей формы роста, анизотропна, а потому кристаллы растут, как правило, в виде Н. к., а также лент, пластинок и т. д. К этой категории относятся мн. природные кристаллы (силикаты, сульфосоли и др.).
Специфич. (квазиодномерная) форма Н. к. и их малые размеры (по крайней мере, в одном измерении) делают их удобными объектами для изучения ряда физ. эффектов при кристаллизации. Так, на них легко наблюдается т. н. эффект Гиббса - Томсона (зависимость равновесного давления пара над крнсталлич. частицей от её размеров), проверяются закономерности поверхностной диффузии, обнаружена радиальная периодич. неустойчивость, обусловленная, вероятно, автоколебат. явлениями в росте кристаллов (рис. 3).
Среди уникальных физ. свойств Н. к. выделяется их исключительно высокая механич. прочность, превышающая прочность массивных монокристаллов в 10² - 10³ раз и приближающаяся к теоретической. Здесь проявляется, в частности, размерный эффект: прочность Н. к. резко возрастает при их диам. 5 мкм (рис. 4). Это объясняется тем, что при таких диаметрах Н. к., как правило, не содержат дислокаций и имеют весьма совершенную поверхность. По этой же причине, благодаря меньшему рассеянию носителей заряда на дефектах и поверхностях, электросопротивление Н. к. относительно мало. Особенности Н. к. состоят также в том, что Н. к. ферромагнетиков и сегнетоэлектриков, как правило, представляют собой монодомены.

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

На уникальных свойствах Н. к. основаны их применения. Сконструирован ряд приборов (миниатюрные термометры, тензодатчики и датчики Холла, дозиметрич. приборы и др.), в к-рых Н. к. составляют наиболее чувствит. часть. В электронике Н. к. используются как высокоэффективные автоэмиссионные катоды (см. Автоэлектронная эмиссия ).Высокая механич. прочность Н. к. позволила осуществить на них автоионный микроскоп для сравнительно легкоплавких материалов, например полупроводников. Н. к. применяются и для создания высокопрочных композиционных материалов.

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

Лит.: Бережкова Г. В., Нитевидные кристаллы, М., 1969; Гиваргизов Е. И., Рост нитевидных и пластинчатых кристаллов из пара, М., 1977.

Е. И. Гиваргизов.