НИТЕВИ́ДНЫЕ КРИСТА́ЛЛЫ

Рис. 1. Схема роста нитевидного кристалла Si по ПЖК-методу (подложка – голубая).

НИТЕВИ́ДНЫЕ КРИСТА́ЛЛЫ, мо­но­кри­стал­лы в ви­де игл и во­ло­кон диа­мет­ром от не­сколь­ких нм до со­тен мкм и боль­шим от­но­ше­ни­ем дли­ны к диа­мет­ру (обыч­но 100–1000); дру­гое назв. «усы», или «вис­кер­сы» (от англ. whiskers). Ти­пич­ные раз­ме­ры Н. к.: дли­на от 0,5 мм до нескольких мм, диа­метр 0,5–50 мкм. Фор­ма по­пе­реч­но­го се­че­ния (тре­уголь­ная, шес­ти­уголь­ная, квад­рат­ная, пря­мо­уголь­ная) за­ви­сит от ти­па кри­стал­лич. ячей­ки и ори­ен­та­ции оси рос­та Н. к. Силь­но ани­зо­троп­ная фор­ма Н. к. яв­ля­ет­ся след­ст­ви­ем ли­бо спе­ци­фич. ме­ха­низ­мов и ки­не­ти­ки их об­ра­зо­ва­ния (рос­та), ли­бо силь­ной ани­зо­тро­пии внутр. струк­ту­ры ма­те­риа­ла. Н. к. об­ла­да­ют ря­дом уни­каль­ных фи­зич. и ме­ха­нич. свойств, в ча­ст­но­сти ис­клю­чи­тель­но вы­со­кой, при­бли­жаю­щей­ся к тео­ре­ти­че­ской, ме­ха­нич. проч­но­стью, пре­вы­шаю­щей проч­ность мас­сив­ных мо­но­кри­стал­лов в 100–1000 раз. В них про­яв­ля­ет­ся раз­мер­ный эф­фект: проч­ность Н. к. рез­ко воз­рас­та­ет при умень­ше­нии их диа­мет­ра. Это свя­за­но с тем, что при ма­лых диа­мет­рах Н. к. прак­ти­че­ски не со­дер­жат дис­ло­ка­ций и име­ют весь­ма со­вер­шен­ную по­верх­ность. По этой же при­чи­не они об­ла­да­ют осо­бы­ми те­п­ло­вы­ми, элек­трич. и маг­нит­ны­ми свой­ст­ва­ми. Напр., у Н. к. бо­лее вы­со­кие те­п­ло­про­вод­ность и элек­тро­про­вод­ность (бла­го­да­ря сла­бо­му рас­сея­нию но­си­те­лей за­ря­да на де­фек­тах и по­верх­но­стях), чем у обыч­ных мо­нокри­стал­лов; ко­эр­ци­тив­ная си­ла тон­ких фер­ро­маг­нит­ных Н. к. так­же зна­читель­но вы­ше: для Fe она до­сти­га­ет 40 кА/м. Фер­ро­маг­нит­ные и сег­не­то­элек­трич. Н. к., как пра­ви­ло, пред­став­ля­ют со­бой мо­но­до­ме­ны.

Н. к. име­ют важ­ное зна­че­ние для нау­ки о ма­те­риа­лах в двух ас­пек­тах: на­уч­ном – как пер­вый объ­ект, на ко­то­ром опыт­ным пу­тём до­ка­за­на спра­вед­ли­вость тео­ре­тич. рас­чё­тов проч­но­сти иде­аль­ной кри­стал­лич. ре­шёт­ки, и прак­ти­че­ском – для соз­да­ния но­вых ме­тал­лич. и по­ли­мер­ных ком­по­зиц. ма­те­риа­лов с ис­поль­зо­ва­ни­ем Н. к. для ар­ми­ро­ва­ния (напр., не­пре­рыв­ные во­лок­на бо­ра, уг­ле­ро­да, кар­би­да крем­ния).

Рис. 2. Микроструктура in situ эвтектического композита на основе интерметаллида NiAl, упрочнённого нитевидными кристаллами Re.

Раз­ли­ча­ют Н. к. при­род­но­го и ис­кусств. про­ис­хо­ж­де­ния. При­род­ные Н. к. фор­ми­ру­ют­ся на Зем­ле мно­го ты­ся­че­ле­тий, упо­ми­на­ния о них в на­уч. лит-ре от­но­сят­ся к 16 в. Из­вест­ны са­мо­род­ные во­лок­ни­стые кри­стал­лы Au, Ag, Cu, Sn, Pb, S, разл. ок­си­дов и си­ли­ка­тов. Час­то при­род­ные Н. к. встре­ча­ют­ся в ви­де вклю­че­ний внут­ри др. ми­не­ра­лов (напр., иг­лы ру­ти­ла в при­род­ных кри­стал­лах ру­би­на, квар­ца).

Для по­лу­че­ния ис­кусств. Н. к. раз­ра­бо­та­ны разл. ме­то­ды: фи­зич. ис­па­ре­ние с по­сле­дую­щей кон­ден­са­ци­ей, хи­мич. оса­ж­де­ние из га­зо­вой фа­зы, кри­стал­ли­за­ция из рас­тво­ров, на­прав­лен­ная кри­стал­ли­за­ция эв­тек­тич. спла­вов, вы­ра­щи­ва­ние на по­рис­тых мем­бра­нах и др. Н. к. ту­го­плав­ких ме­тал­лов и их со­еди­не­ний обыч­но по­лу­ча­ют ме­то­дом оса­ж­де­ния из га­зо­вой фа­зы в вы­со­ко­тем­пе­ра­тур­ных пе­чах пе­рио­дич., по­лу­не­пре­рыв­но­го или не­пре­рыв­но­го дей­ст­вия. Рост Н. к. кремния из га­зо­вой фа­зы осу­ще­ст­в­ля­ет­ся пу­тём кон­ден­са­ции па­ров ли­бо вслед­ст­вие ре­ак­ций раз­ло­же­ния ле­ту­чих ве­ществ (хло­ри­дов, си­ла­нов и др.). Напр., их вы­ра­щи­ва­ют по ре­ак­ции SiCl₄+2Н₂=Si+4HCl, как пра­ви­ло, по схе­ме пар–жид­кость–кри­сталл (ПЖК-ме­тод). По этому механизму Н. к. растут на тех участках к.-л. подложки, на которой есть растворитель. Ка­п­ля рас­пла­ва Si, напр., в Аu находится на подложке и иг­ра­ет роль ка­та­ли­за­то­ра рос­та: ре­ак­ция про­те­ка­ет пре­им. на по­верх­ности ка­п­ли рас­пла­ва, соз­да­вая в ней не­об­хо­ди­мое пе­ре­сы­ще­ние. Ато­мы Si, диф­фун­ди­руя сквозь ка­п­лю, оса­ж­да­ют­ся на гра­ни­це жид­кость–кри­сталл, при этом ка­п­ля всё вре­мя ос­та­ёт­ся на вер­ши­не Н. к., поч­ти не из­ме­ня­ясь в раз­ме­рах (рис. 1).

Наи­выс­шей удель­ной проч­но­стью об­ла­да­ют Н. к. ок­си­дов, кар­би­дов, бо­ри­дов, нит­ри­дов (напр., Al₂O₃, B₄C, SiC, AlN, Si₃N₄). Они ту­го­плав­ки, име­ют вы­со­кий мо­дуль уп­ру­го­сти, ма­лую плот­ность, инерт­ны в разл. хи­мич. сре­дах. Од­на­ко тех­но­ло­гия ори­ен­та­ции Н. к. (дис­крет­ных «усов») ока­за­лась до­воль­но слож­ной и ма­ло­рен­та­бель­ной, по этой при­чи­не от­ка­за­лись от их ис­поль­зо­ва­ния в ка­че­ст­ве ар­ми­рую­щих на­пол­ни­те­лей при соз­да­нии ис­кусств. ком­по­зиц. ма­те­риа­лов.

Н. к. на­шли при­ме­не­ние в т. н. ес­теств. in situ ком­по­зи­тах – эв­тек­ти­ках с на­прав­лен­ной струк­ту­рой, ко­то­рые ар­ми­ру­ют­ся в на­прав­лен­ном те­п­ло­вом по­ле в про­цес­се эв­тек­тич. ре­ак­ции (в со­от­вет­ст­вии с диа­грам­мой со­стоя­ния), напр. в in situ эв­тек­тич. ком­по­зи­те на ос­но­ве ин­тер­ме­тал­ли­да NiAl (мат­ри­ца), уп­роч­нён­но­го Н. к. ре­ния (рис. 2). Не­дос­тат­ком та­ких ком­по­зи­тов яв­ля­ет­ся слиш­ком низ­кая ско­рость кри­стал­ли­за­ции с пло­ским фрон­том рос­та, обес­пе­чи­ваю­щим на­прав­лен­ную ори­ен­та­цию ни­те­вид­ных кри­стал­лов.

Н. к. при­ме­ня­ют при из­го­тов­ле­нии разл. дат­чи­ков (ми­ниа­тюр­ные тер­мо­мет­ры, тен­зо­дат­чи­ки, дат­чи­ки Хол­ла и др.), ав­то­эмис­си­он­ных ка­то­дов, а так­же для по­лу­че­ния мем­бран­ных фильт­рую­щих эле­мен­тов, те­п­ло­за­щит­ных ма­те­риа­лов, но­си­те­лей для ка­та­ли­за­то­ров. Важ­ное на­прав­ле­ние ис­поль­зо­ва­ния Н. к. – соз­да­ние тка­не­вых элек­трод­ных ма­те­риа­лов но­во­го по­ко­ле­ния для вто­рич­ных ис­точ­ни­ков то­ка.