Метод химического транспорта (реакций переноса)
В основе получения монокристаллов из газовой фазы методом химического транспорта лежат химические реакции также, как и в основе метода диссоциации и восстановления газообразных соединений. Рост кристалла происходит в результате реакций разложения газообразных молекул. Примером использования этого метода может служить получение монокристаллического германия:
GeI4 = Ge + 2I2 . (6.16)
Сущность метода реакций переноса заключается в следующем (рис. 6.17). При взаимодействии газообразного реагента X (I2 в нашем примере) с твердым, нелетучим веществом A (источник Ge) при определенных значениях температуры и давлениях паров X могут образовываться разные по составу летучие соединения. При неизменных условиях между ними устанавливается некоторое состояние равновесия. Если изменить температуру системы, то состояние равновесия нарушится и состав компонентов смеси изменится. Выбирая условия, при которых в области источника идет преимущественно реакция образования летучего соединения XA (GeI4 ), а в области кристаллизации — его разложение с выделением компонента A (Ge), можно обеспечить условия, при которых
Рис. 6.17. Схема выращивания кристаллов с использованием газотранспортных реакций в открытой (а) и закрытой (б) системах: 1 — реактор; 2 — лодочка с летучим компонентом; 3 — лодочка с нелетучим компонентом; 4 — подложка с кристаллом 5; 6 — кварцевая ампула; 7 — исходное соединение.
будет происходить перенос A (Ge) от источника к растущей поверхности и рост монокристалла вещества A (Ge).
Для того чтобы осуществить перекристаллизацию вещества A, его помещают в один конец откачанной кварцевой ампулы, в которую вводится определенное количество газообразного реагента X, после чего ампула запаивается. Затем ампула помещается в двухзонную печь таким образом, что источник находится при температуре T1, а зона кристаллизации, расположенная на другом конце ампулы, находится при температуре T2. Температуры T1 и T2 подбираются так, чтобы при T1 в результате химических реакций реагента X с материалом источника образовывалось летучее соединение, которое, попадая в зону с температурой T2 , разлагалось, образуя вещество A и газообразный реагент X. Реагент X, диффундируя по ампуле, снова попадает в зону источника, снова образует летучее соединение, молекулы которого, попадая в зону кристаллизации, распадаются, и т. д. Таким образом, небольшое количество реагента X может обеспечить перенос и перекристаллизацию произвольно большого количества вещества A.
Необходимыми условиями для осуществления переноса являются обратимость химической реакции и наличие градиента концентрации, которое является следствием наличия перепада температур или давлений. Процесс переноса вещества состоит из трех этапов: 1) химической реакции газообразного переносчика с веществом источника; 2) перемещения газообразного соединения от источника к зоне роста; 3) химической реакции, в результате которой выделяется кристаллизуемое вещество.
Выбор химических реакций переноса осуществляется на основе следующих общих правил:
1. Перенос вещества посредством обратимой реакции может происходить лишь в том случае, если переносимый компонент конденсированной фазы присутствует только в одной части уравнения.
2. Реакции, которые при равновесных условиях сильно смещены в
одну или другую сторону, не приводят к заметному переносу вещества.
3. Эффективность и направление переноса определяются суммарным изменением полной энергии ∆G = ∆H − T ∆S.
4. Выход реакции тем больше, чем больше суммарное изменение свободной энергии.
Скорость роста монокристаллов в этом методе определяется либо
диффузионными и конвективными процессами при малых давлениях в системе — тогда скорость роста невелика; либо скоростями реакций, протекающих в зоне источника и в зоне кристаллизации при высоких давлениях — при этом наблюдается резкое повышение скорости роста за счет интенсификации конвекционных потоков.
Таким способом могут выращиваться монокристаллы Ge, GaAs; этот метод является весьма удобным способом получения тугоплавких полупроводников: халькогенидов переходных и редкоземельных элементов (например MnTe, GdS, EuS), сложных полумагнитных полупроводников (HgCr2Te4).
Источник: И. А. Случинская, Основы материаловедения и технологии полупроводников, Москва — 2002
Источник
Почему золото нельзя создавать искусственно, как алмазы?
На самом деле существует способ получения золота из ртути .
Ещё в марте 1924 года профессор Токийского университета Хантаро Нагаока на протяжении 4 часов воздействовал электрическим
напряжением 150 000 вольт на изотоп ртути, покрытый диэлектрическим слоем парафинового масла. Тогда ему удалось получить несколько миллиграммов золота и платины.
Однако получать золото искусственным путём гораздо сложнее,
чем алмазы .
В отличие от углерода, золото встречается только в единственной форме. Располагая атомы углерода по-разному, можно получать его аллотропные модификации : графит, алмаз, фуллерен, графен и так далее.
Чтобы искусственно создать алмаз, достаточно взять его любую другую аллотропную модификацию и перестроить атомы под алмазную форму (например, используя высокое давление).
Но чтобы создать золото , для начала, необходим самый простой , подходящий для этого исходный материал — ртуть . Затем необходимо удалить из него 1 электрон, 1 протон и 3 нейтрона , прорвавшись через 80 электронных слоёв. Невероятно трудно удалить протоны и нейтроны, являющиеся частью очень маленького ядра.
Простое сравнение . Чтобы создать алмаз нужно найти несколько автобусов, длиной 10 м, находящихся на стоянке и припарковать
их в другом порядке. Автобусы связаны между собой цепочками, которые придётся разорвать во время перемещения и снова сцепить, когда всё будет на месте.
Теперь к золоту . Представим, что в распоряжении находится 10-метровая сфера . Сверху, в продольном направлении наблюдается нечто, похожее
на 10-метровый автобус, состоящее из 80 плотных металлических листов.
После того, как будут распилены или разорваны все листы, удастся достигнуть центрального ядра, размером с песчинку (около 0.1 мм). При ближайшем рассмотрении становится понятно, что крошечное ядро состоит из 201 более мелкой части .
Множество этих самых кусочков чрезвычайно сильно связаны между собой (сильное ядерное взаимодействие является самым мощным среди 4 фундаментальных сил на малых расстояниях). Теперь с хирургической точностью нужно удалить 4 кусочка из 201 . Но не любые 4. На самом деле здесь 80 кусочков одного вида и 121 кусочек другого . Нужно удалить 1 из 80 и 3 из 121.
Как только всё будет сделано, 79 из 80 ранее разорванных листов укладываются обратно, и вуаля, золото создано . Вот только на все операции внутри ядра есть всего несколько секунд, иначе всё станет непригодным , часть кусочков разлетится.
Кроме того, кусочки будут перемещаться странным волнообразным образным образом , поэтому с первого раза вряд ли получится подобрать необходимую комбинацию. Можно начать с тысячи подобных сфер
надеясь, что в нескольких случаях удастся всё сделать правильно
и вовремя вернуть на место 79 металлических листов.
Источник
Израильским учёным удалось создать искусственное золото
Исследователям израильского университета Технион впервые в истории удалось вырастить искусственное золото в лабораторных условиях. Согласно публикации в издании Jerusalem Post, данное открытие – это дело рук аспирантки факультета инженерии материалов Марии Койфман-Кристософ, которая работала под началом профессора Боаза Покрой. Подробности процесса получения искусственного золота учёные опубликовали в журнале Nature Communications.
Технион – это один из ведущих вузов Израиля, специализирующийся на технических науках. Он был открыт в 1924 году, и за время его работы стены заведения покинули тысячи профессиональных инженеров и учёных. Именно здесь в 80-е годы были изобретены оптические волокна, открыты квазикристаллы, а также сотрудники университета сделали огромный вклад в развитие химии. Ничуть не удивительно, что именно исследователи Техниона первыми в мире смогли вырастить искусственное золото.
«При создании искусственного золота мы были мотивированы исключительно научным интересом, — рассказывает Мария Койфман-Кристософ, — но, как оказалось, полученный материал обладает множеством потенциальных преимуществ перед природным золотом».
Искусственный материал был получен в форме пористого монокристалла, который обладает множеством преимуществ перед поликристаллами, ввиду наличия непрерывной кристаллической решётки. Такое золото обладает повышенной механической прочностью, устойчивостью к высоким температурам, а также повышенной проводимостью электричества и тепла.
Источник
Рождение и грехопадение: история золота
Золото видел каждый: в ювелирном магазине, в музее, у себя дома. На кончике пера, которым написаны эти строки, напаяна крупинка иридия, а само оно позолочено. Золото ещё не переработанное видит далеко не каждый. В музее Северо-Восточного территориального геологического управления есть разрезанные алмазной пилой куски породы, добытые при разведке месторождений. На срезе кварца невооружённым глазом видны жёлтые сверкающие точки и прожилки. Это рудное золото, а подобное высокое его содержание в породе — большая редкость.
Кварцевые жилы образовались из горячих водных растворов, выделившихся из гранитной магмы вследствие её остывания. Золотоносные жилы обычно топки и круто уходят в глубь земли. При горообразовательных процессах отдельные слои земной коры приподнимаются, попадают в иные условия, подвергаются различным разрушениям. Руды металлов быстро превращаются в пыль, уносятся ветром и водой. А золото после разрушения крепчайших кварцевых жил высвобождается из руды. Крупинки его погружаются на дно наносов. Так наряду с коренными рудными месторождениями образуются в природе вторичные месторождения — россыпи. Их-то и разрабатывают, в основном, на Колыме.
В том же музее можно получить представление о золотых самородках, найденных в россыпях,— до нескольких килограммов весом, Благодаря самородкам и узнал в необозримо далёком прошлом наш пращур золото и нашёл применение тяжёлым «каменьям». Впервые самородки начали собирать в Африке. Африка была колыбелью золотопромышленности. Между Нилом в Красным морем, в Нубийской пустыне (нуб — золото), в поисках самородков просеивали песок.
В середине пятого тысячелетия множество рабов уже добывало золото, промывая всю массу песков в долинах Белого и Голубого Нила. Спустя полторы тысячи лет разрабатывались россыпи на территории Ганы, Мозамбика. Надпись на стеле, найденной в Аравийской пустыне, свидетельствовала о разработке коренных месторождений за три тысячи лет до нашей эры. Добыче велась в это время в Индии и Индокитае, на Тибете. За полторы тысячи лет до нашей эры разрабатывались россыпи Белуджистана, Кашгарии, Западной Сибири, Приамурья, Средней и Малой Азии. В I тысячелетии до нашей эры шла добыча в Западной Европе. По выражению Гумбольта, золотые россыпи как бы оконтуривают границы цивилизации.
Золото в Египте обозначали условным знаком— кружок с точкой и центре; точно так же, как и солнце. Властитель древней страны пирамид — фараон — носил титул сына солнца. Естественно, что металлом солнца мог владеть только сын солнца.
А добывало золото для сынов солнца огромнейшее количество рабов. Это были военнопленные или осуждённые египтяне, иногда эту кару несли и все родственники осуждённых. Под надзором иноземцев, не знающих египетского языка и пощады, несчастные рабочие трудились днём и ночью. Мужчины, женщины, старики, дети.
Историк I века до нашей эры Диодор Сицилийский в одной из своих книг писал о египетской каторге: «Здесь нет места снисхождению и пощаде по отношению к больным, старикам, к женской слабости. Все должны работать, понуждаемые к этому ударами бича, и только смерть кладёт конец их мучениям и нужде!»
Древние рудники Верхнего Египта, Судана, Нубии были всего лишь ямами, канавами или неглубокими шахтами в твёрдых породах. Куски породы выламывали и дробили в каменных ступах, достигавших размеров одного метра в поперечнике; раздробленную породу измельчали и истирали в ручных мельницах — жерновах, после чего отмывали ее водой от золота.
Россыпное золото, образованное на коренных месторождениях, добывать проще. Работа по измельчению породы была уже проведена силами природы, а труд древних золотоискателей сводился к отысканию золотоносного песка и его отмывке. Для древних времён характерна добыча золота именно из россыпей. Один из способов добычи запечатлён в мифе об аргонавтах. Герой его Язон после многих приключений добывает в Колхиде шкуру золотого барана — золотое руно. В те далёкие времена — примерно двенадцать столетий до нашей эры — существовал такой способ добычи золота. На дне высохшего русла реки, находящегося около месторождения, расстилали бараньи шкуры. Затем пускали воду с гор, которая размывала песок и уносила по руслу. Захваченные с песком крупинки золота благодаря своей тяжести застревали в шерсти. Дошедшие до греков сведения об этом способе и послужили материалом для создания мифа о золотом руне.
На территории современного Казахстана от переработки золотых руд в древности и сейчас ещё сохранились отвалы. Лопаты, кайла, клинья и другой инструмент, оставшиеся там, дали возможность представить себе картину способа добычи. Там так же, как в Египте, вынесенная из шахты в ручных корзинах руда измельчалась в каменных ступах, после чего золото из неё извлекалось промывкой. Несмотря на всю примитивность древней технологии, золото выбирали подчистую, в старых отвалах не всегда удаётся обнаружить его следы. Сохранившиеся описания работ позволяют понять, как это происходило. Руду перемывали десятки раз, не жалея рабского труда. Лишь римляне впервые применили металлические желоба с ртутным покрытием, улавливающим мельчайшие частицы золота, производили громадные подкопы, обрушивали породу водой под большим давлением.
Медленное совершенствование орудий и способов добычи объясняется ещё и тем, что древние горняки добывали очень богатое золото, высвобожденное за миллионы лет разрушения горных пород, истекшие до появления человека на земле, «снимали сливки». Добывалось колоссальное количество золота. На заре человечества получено свыше 10 тысяч тонн драгоценного металла. Всего же во все времена добыто не менее 75 тысяч тонн — из этого количества можно было бы изготовить куб с ребром в 15 метров. На основании данных, приведённых в книге немецкого исследователя Г. Квиринга «История золота», можно судить о возрастании золотодобычи. Но если сравнить среднюю добычу на человека, она постоянно уменьшается. Не так уж беспочвенна легенда о Золотом веке. Золота было много, если учесть, что людей па земле жило очень мало. Этот век не был прекрасный, человек был целиком подавлен борьбой с природной стихией. Золотой он был в том смысле, что после широкого использования в своей жизни орудий из дерева и камня человек узнал металлы. И первым металлом было золото.
Бурное развитие капитализма в XIX столетии требовало больших количеств золота, и добыча его росла из года в год, чему способствовала и развивающаяся техника. Всю первую половину века Россия занимала по золотодобыче первое место в мире, пока не открыли золото в Калифорнии, затем в Австралии. За каких-нибудь двадцать лет золотодобыча возросла в четыре раза. Добывалось около 200 тонн ежегодно.
С общим ростом техники начала механизироваться и добыча золота. Стали использовать гидравлический способ добычи, появились промывочные приборы — скрубберы. С начала 80-х годов прошлого столетия на золотых приисках появились драги. Эти плавучие сооружения позволили нести промывку песков с малым содержанием золота и в очень больших объёмах, что давало возможность вести добычу на тощих песках, из старых отвалов.
Горняки забирались все дальше в глубь земли, применяя буры с алмазными коронками. При прохождении трещиноватых пород алмаз выкрашивался, тогда в дело шла стальная дробь, которую засыпали в скважину перед бурением: при вращении бура дробь каталась под коронкой и высверливала породу. В отдельных случаях научились и понижать крепость пород при бурении. Для этого в воде, которой промывали скважины, предварительно растворяли вещества, называемые понизителями твёрдости: поваренную соль, каустическую соду, хлористый магний, хлористый алюминий и другие. Усовершенствование методов бурения дало возможность проникать на такие глубины, о которых раньше и не мечтали. В Южной Африке добыча золота из шахты стала проводиться на глубине 2065 метров, а самая глубокая скважина на западе Северной Америки достигла 4 километров. Сильно сказалось использование техники на добыче рудного золота. Сначала толчейные ступы, а затем — целая система дробильных установок, отсадочных машин. Обработка руд путём амальгамации, хлоринации, цианирования дала возможность извлекать золото в невиданных до того времени количествах из бедных руд.
К тому времени, когда «золотой вал» вдоль Тихоокеанского побережья Северной Америки докатился до Аляски, были открыты и богатейшие залежи золота Южной Африки, послужившие причиной англо-бурской войны. Около того же времени были открыты новые месторождения в Индии и на Канадском Клондайке.
По материалам Б. Казакова «Дело желтого дьявола». 1978.
Источник