Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

Геологический факультет

Кафедра кристаллографии и кристаллохимии

ПРОГРАММА

вступительного экзамена в аспирантуру

по специальности

минералогия и кристаллография

РОСТ И МОРФОЛОГИЯ КРИСТАЛЛОВ

Составил: профессор Н.И.Леонюк Москва - 2001 1. Кристаллообразование в гомогенных средах Фазовые равновесия и переходы. Кристаллизация как фазовый переход. Диаграммы состояния систем. Поверхностная энергия. Движущая сила кристаллизации и способы ее выражения. Работа, необходимая для формирования кристаллической фазы. Энергия активации. Флуктуационная природа зародышеобразования и его особенности в парах и конденсированных средах. Геометрическая модель образования зародышей.

2. Механизм роста совершенных кристаллов Кристаллизация в гетерогенных средах. Двумерные зародыши. Их размер и форма.

Эпитаксия. Анизотропия поверхностной энергии. Структура границы раздела фаз.

Адсорбционный слой. Нормальный и послойный рост кристаллов. Условия их реализации.

Анизотропия скоростей послойного роста грани. Особенности послойного роста кристаллов из расплава, раствора и пара.

3. Tепло- и массоперенос при кристаллизации Диффузионные и поверхностные процессы. Кинетический и диффузионный режим кристаллизации. Современные принципы моделирования тепло- и массообмена в подвижных и неподвижных средах. Кристаллизация в условиях микрогравитации. Моделирование роста монокристаллов и эпитаксиальных структур.

4. Внешняя форма и однородность реальных кристаллов Кристаллохимически обусловленная форма кристалла. Метод ПЦС Хартмана. Типы граней кристаллов. Современная трактовка равновесной формы: соотношение Гиббса-ТомсонаХерринга. Метод средних работ отрыва Странского и Каишева. Формы роста. Корреляция между теоретически возможными, равновесными формами и формами роста кристаллов.

Эффект грани. Условия перехода от многогранника к дендриту. Скелетные формы.

Нитевидные кристаллы. Расщепление кристаллов. Сферолиты. Ортотропизм. Ритмический рост. Геометрический отбор.

Влияние точечных дефектов на рост и морфологию кристаллов. Физическая и химическая адсорбция примесей. Гомогенный и гетерогенный захват. Равновесное и неравновесное распределение примесей при кристаллизации. Эффективные коэффициенты распределения. Концентрационное переохлаждение. Секториальное и зонарное строение кристаллов. Дислокации как источники слоев роста. Формирование двойников. Дефекты упаковки. Границы блоков. Температурные напряжения. Гетерогенные включения маточной среды и посторонних частиц.

5. Генезис монокристаллических минералов Теоретические и эмпирические подходы к изучению генезиса минералов. Общие представления о моделировании природных поликомпонентных систем. Пространственновременные факторы. Магматический процесс. Особенности формирования силикатов и родственных им минералов. Физико-химическая и кристаллохимическая трактовка кислотноосновных свойств стеклообразующих расплавов. Первичная магматическая кристаллизация.

Рост кристаллов в пегматитах. Пневматолитовые и гидротермальные образования.

Метасоматоз. Роль метаморфизма. Кристаллизация в условиях осадконакопления. Примеры месторождений технологических монокристаллов: кварц, исландский шпат, флюорит, корунд, слюда, алмаз, шпинель, берилл, топаз, гранаты, турмалин, оливин, циркон, хризоберилл и другие минералы.

6. Общая характеристика методов искусственного получения кристаллов PTX-диаграммы состояния систем. Условия управляемой кристаллизации. Критерии выбора и общая классификация методов выращивания кристаллов.

Выращивание кристаллов из расплава. Изменение температуры при охлаждении кристаллодержателя (метод Киропулоса). Перемещение кристалла относительно расплава в температурном градиенте (метод Чохральского). Основные варианты технического исполнения метода. Получение профилированных монокристаллов (метод Степанова). Метод БриджменаСтокбаргера. Перемещение контейнера через зону плавления. Зонная плавка и перекристаллизация. Вертикальный и горизонтальный, тигельный и бестигельный способы.

Метод Вернейля. Автоматизация процесса выращивания кристаллов из расплава.

Выращивание кристаллов из растворов. Типы растворителей. Фазовые диаграммы и кривые растворимости. Разновидности методов.

Раствор-расплавная кристаллизация, ее возможности и разновидности. Расплавырастворители. Разбавленные и высококонцентрированные системы. Основные модификации, технические приемы и перспективы развития.

Гидротермальный синтез. Свойства гидротермальных растворов. Выращивание кристаллов при температурном градиенте. Метод общего охлаждения. Снижение температуры с сохранением постоянного ее перепада. Методы разделенной шихты и разделенных исходных компонентов. Вариант качающегося реактора.

Кристаллизация при обычном давлении и умеренной температуре (до 100оС). Приемы изменения температуры раствора. Методы температурного перепада. Рост кристаллов при вынужденной конвекции раствора. Испарение растворителя. Кристаллизация при постоянной температуре и постоянном пересыщении. Использование возможностей химических и электрохимических реакций. Методы со встречной диффузией. Кристаллизация в гелях.

Выращивание кристаллов из газовой (паровой) среды. Физическая конденсация.

Химические транспортные реакции. Представление о ПЖК-механизме кристаллизации.

Особенности получения объемных, нитевидных кристаллов, и эпитаксиальных пленок.

Типичные дефекты роста кристаллов и пути их устранения. Сравнительная характеристика методов выращивания кристаллов.

7. Практика выращивания монокристаллов (по выбору) Классификация выращиваемых кристаллов: химическая, кристаллохимическая, генетическая, функциональная.

Основные «традиционные» материалы: алмаз, кремний, германий, соединения AIIIBV и другие полупроводники, кварц, корунд, редкоземельные алюмо-, феррогранаты и алюминаты, галогениды щелочных металлов, флюорит и другие фториды, кальцит, KDP, ADP, ниобаты, слюда, цинкит, орто- и гексаферриты, форстерит, берилл, хризоберилл, редкоземельные оксиортосиликаты рутил, шпинели и другие тугоплавкие окисиды.

Некоторые новые кристаллы: берлинит, манганиты, титанаты, купраты и другие высокотемпературные сверхпроводники, германаты, бораты, апатит, ванадаты, молибдаты, вольфраматы, бориды, карбиды, фосфиды.

Выращивание высокомолекулярных органических кристаллов. Кристаллизация гетеро- и наноструктур.

8. Сравнительная морфология минералов и их синтетических аналогов Общие и отличительные признаки минералов и искусственных кристаллов. Структурные и механические примеси в минералах и их влияние на внешнюю и внутреннюю морфологию.

Включения: твердые, жидкие, однофазные, двухфазные, трехфазные и более сложные.

"Минералы-узники". Примеры генетической интерпретации экспериментальных данных.

Основная литература 1. Современная кристаллография. Том 3 / А.А.Чернов, Е.И.Гиваргизов, Х.С.Багдасаров и др. Образование кристаллов. М: Наука, 1980.

2. Синтез минералов. В 3-х томах. Александров, ВНИИСИМС, 2000.

Дополнительная литература 1. Handbook of Crystal Growth. Edited by D.T.J Hurle. Nortn-Hollаnd, 1993-1995: Vol. 1:

Fundamentals (Parts A and B); Vol. 2: Bulk Crystal Growth (Parts A and B); Vol. 3: Thin Films and Epitaxy (Parts A and B).

2. Тепло- и массобмен при получении монокристаллов / П.К.Конаков, Г.Е.Веревочкин, Л.А.Горяинов и др. М: Металлургия, 1971.

3. Journal of Crystal Growth (периодическое издание).