Crystal growth
एक क्रिस्टल एक ठोस पदार्थ है जिसके घटक परमाणु, अणु या आयनों को तीनों स्थानिक आयामों में विस्तारित एक क्रमबद्ध दोहराव पैटर्न में व्यवस्थित किया जाता है। क्रिस्टल विकास एक क्रिस्टलीकरण प्रक्रिया का एक प्रमुख चरण है, और इसमें क्रिस्टलीय जाली की विशिष्ट व्यवस्था में नए परमाणुओं, आयनों या बहुलक तारों को जोड़ा जाता है। वृद्धि आम तौर पर या तो सजातीय या विषम (सतह उत्प्रेरित) नाभिकीकरण के प्रारंभिक चरण का अनुसरण करती है, जब तक कि विकास शुरू करने के लिए जानबूझकर जोड़ा गया "बीज" क्रिस्टल पहले से मौजूद न हो। क्रिस्टल वृद्धि की क्रिया से एक क्रिस्टलीय ठोस प्राप्त होता है जिसके परमाणु या अणु एक दूसरे के सापेक्ष अंतरिक्ष में निश्चित स्थितियों के साथ निकट पैक होते हैं। पदार्थ की क्रिस्टलीय स्थिति की विशेषता एक विशिष्ट संरचनात्मक कठोरता और विरूपण के लिए बहुत उच्च प्रतिरोध (अर्थात। आकार और/या आयतन में परिवर्तन)। अधिकांश क्रिस्टलीय ठोसों में यंग के मापांक और लोच के अपरूपण मापांक दोनों के उच्च मान होते हैं। यह अधिकांश तरल पदार्थों या तरल पदार्थों के विपरीत है, जिनमें कम कतरनी मापांक होता है, और आमतौर पर मैक्रोस्कोपिक चिपचिपा प्रवाह की क्षमता प्रदर्शित करता है। अवलोकन एक स्थिर नाभिक के सफल गठन के बाद, एक विकास चरण होता है जिसमें मुक्त कण (परमाणु या अणु) नाभिक पर अवशोषित होते हैं और नाभिकीय स्थल से अपनी क्रिस्टलीय संरचना को बाहर की ओर फैलाते हैं। यह प्रक्रिया न्यूक्लिएशन की तुलना में काफी तेज है। इस तरह की तेजी से वृद्धि का कारण यह है कि वास्तविक क्रिस्टल में विस्थापन और अन्य दोष होते हैं, जो मौजूदा क्रिस्टलीय संरचना में कणों को जोड़ने के लिए एक उत्प्रेरक के रूप में कार्य करते हैं। इसके विपरीत, पूर्ण क्रिस्टल (दोषों की कमी) बहुत धीरे-धीरे बढ़ेंगे। दूसरी ओर, अशुद्धियाँ क्रिस्टल विकास अवरोधक के रूप में कार्य कर सकती हैं और क्रिस्टल की आदत को भी संशोधित कर सकती हैं। नाभिकीकरण नाभिकीकरण या तो विदेशी कणों के प्रभाव के बिना सजातीय हो सकता है, या विदेशी कणों के प्रभाव के साथ विषम हो सकता है। आम तौर पर, विषम न्यूक्लिएशन अधिक तेज़ी से होता है क्योंकि विदेशी कण क्रिस्टल के बढ़ने के लिए एक मचान के रूप में कार्य करते हैं, इस प्रकार एक नई सतह बनाने की आवश्यकता और प्रारंभिक सतह ऊर्जा आवश्यकताओं को समाप्त कर देते हैं। विषम न्यूक्लिएशन कई तरीकों से हो सकता है। जिन पात्र पर क्रिस्टल उगाया जा रहा है, उनमें कुछ सबसे विशिष्ट छोटे समावेश या कटौती हैं। इसमें कांच के बर्तनों के किनारों और नीचे खरोंच शामिल हैं। क्रिस्टल उगाने में एक आम प्रथा समाधान में एक बाहरी पदार्थ, जैसे कि एक तार या एक चट्टान को जोड़ना है, जिससे क्रिस्टल के विकास को सुविधाजनक बनाने और पूरी तरह से क्रिस्टलीकृत होने के समय को कम करने के लिए न्यूक्लिएशन साइट प्रदान किए जाते हैं। नाभिकीय स्थलों की संख्या को भी इस तरह से नियंत्रित किया जा सकता है। यदि कांच के बर्तनों के एक नए टुकड़े या एक प्लास्टिक के पात्र का उपयोग किया जाता है, तो क्रिस्टल नहीं बन सकते हैं क्योंकि पात्र की सतह विषम नाभिकीकरण की अनुमति देने के लिए बहुत चिकनी है। दूसरी ओर, एक बुरी तरह से खरोंच वाले पात्र के परिणामस्वरूप छोटे क्रिस्टल की कई रेखाएँ बनेंगी। मध्यम आकार के क्रिस्टल की एक मध्यम संख्या प्राप्त करने के लिए, एक पात्र जिसमें कुछ खरोंच हों, सबसे अच्छा काम करता है। इसी तरह, एक क्रिस्टल उगाने वाली परियोजना में पहले से बने छोटे क्रिस्टल, या बीज क्रिस्टल जोड़ने से समाधान को नाभिकीय स्थल प्रदान होंगे। केवल एक बीज क्रिस्टल को जोड़ने से एक बड़ा एकल क्रिस्टल बनना चाहिए। विकास के तंत्र एक क्रिस्टल और उसके वाष्प के बीच का इंटरफेस पिघलने के बिंदु से नीचे के तापमान पर आणविक रूप से तेज हो सकता है। एक आदर्श क्रिस्टलीय सतह एकल परतों के फैलने से, या समकक्ष रूप से, परतों को बांधने वाले विकास चरणों के पार्श्व अग्रिम से बढ़ती है। बोधगम्य विकास दर के लिए, इस तंत्र को एक सीमित प्रेरक बल (या सुपरकुलिंग की डिग्री) की आवश्यकता होती है ताकि तापीय उतार-चढ़ाव के माध्यम से होने वाले न्यूक्लिएशन के लिए न्यूक्लिएशन बाधा को पर्याप्त रूप से कम किया जा सके। पिघलने से क्रिस्टल विकास के सिद्धांत में, बर्टन और कैब्रेरा ने दो प्रमुख तंत्रों के बीच अंतर किया हैः गैर-समान पार्श्व विकास सतह उन चरणों की पार्श्व गति से आगे बढ़ती है जो ऊंचाई में एक अंतरफलक अंतर (या उसके कुछ अभिन्न गुणक) होते हैं। सतह का एक तत्व कोई परिवर्तन से नहीं गुजरता है और एक कदम के पारित होने के दौरान के अलावा अपने आप में सामान्य रूप से आगे नहीं बढ़ता है, और फिर यह कदम की ऊंचाई से आगे बढ़ता है। इस चरण को सतह के दो निकटवर्ती क्षेत्रों के बीच संक्रमण के रूप में मानना उपयोगी है जो एक दूसरे के समानांतर हैं और इस प्रकार विन्यास में समान हैं-जाली विमानों की एक अभिन्न संख्या द्वारा एक दूसरे से विस्थापित। यहाँ एक विसर्जित सतह में एक कदम की विशिष्ट संभावना पर ध्यान दें, भले ही कदम की ऊँचाई विसर्जित सतह की मोटाई की तुलना में बहुत कम हो। समान सामान्य वृद्धि सतह एक चरणबद्ध विकास तंत्र की आवश्यकता के बिना अपने आप में सामान्य रूप से आगे बढ़ती है। इसका मतलब है कि एक पर्याप्त ऊष्मागतिकीय प्रेरक बल की उपस्थिति में, सतह का प्रत्येक तत्व इंटरफेस की उन्नति में योगदान करने वाले निरंतर परिवर्तन में सक्षम है। एक तेज या असंतत सतह के लिए, यह निरंतर परिवर्तन प्रत्येक क्रमिक नई परत के लिए बड़े क्षेत्रों में कमोबेश समान हो सकता है। एक अधिक फैली हुई सतह के लिए, एक निरंतर विकास तंत्र को एक साथ कई क्रमिक परतों पर परिवर्तन की आवश्यकता हो सकती है। गैर-समान पार्श्व वृद्धि चरणों की एक ज्यामितीय गति है-जैसा कि पूरी सतह की गति के विपरीत है। वैकल्पिक रूप से, एक समान सामान्य वृद्धि सतह के किसी तत्व के समय अनुक्रम पर आधारित होती है। इस मोड में, कोई गति या परिवर्तन नहीं होता है सिवाय इसके कि जब कोई कदम निरंतर परिवर्तन से गुजरता है। दी गई स्थितियों के किसी भी समूह के तहत कौन सा तंत्र संचालित होगा, इसकी भविष्यवाणी क्रिस्टल विकास की समझ के लिए मौलिक है। यह भविष्यवाणी करने के लिए दो मानदंडों का उपयोग किया गया हैः सतह फैली हुई है या नहीं-एक फैली हुई सतह वह है जिसमें एक चरण से दूसरे चरण में परिवर्तन निरंतर होता है, जो कई परमाणु विमानों पर होता है। यह एक तेज सतह के विपरीत है जिसके लिए गुण में प्रमुख परिवर्तन होता है (जैसे। घनत्व या संरचना) असंतत है, और आम तौर पर एक अंतर-समतल दूरी की गहराई तक सीमित है। चाहे सतह एकवचन हो या न होः एकवचन सतह वह होती है जिसमें अभिविन्यास के कार्य के रूप में सतह का तनाव न्यूनतम होता है। एकल सतहों के विकास के लिए कदमों की आवश्यकता होती है, जबकि आम तौर पर यह माना जाता है कि गैर-एकल सतह लगातार अपने लिए सामान्य रूप से आगे बढ़ सकती हैं। पार्श्व विकास की उपस्थिति के लिए आवश्यक आवश्यकताओं पर विचार करें। यह स्पष्ट है कि पार्श्व विकास तंत्र तब पाया जाएगा जब सतह का कोई भी क्षेत्र एक प्रेरक बल की उपस्थिति में एक मेटास्टेबल संतुलन तक पहुंच सकता है। इसके बाद यह एक कदम के पारित होने तक इस तरह के संतुलन विन्यास में रहेगा। इसके बाद, विन्यास समान होगा सिवाय इसके कि चरण के प्रत्येक भाग को छोड़कर लेकिन चरण की ऊंचाई से आगे बढ़ेगा। यदि सतह एक प्रेरक बल की उपस्थिति में संतुलन तक नहीं पहुंच सकती है, तो यह चरणों की पार्श्व गति की प्रतीक्षा किए बिना आगे बढ़ती रहेगी। इस प्रकार, काह्न ने निष्कर्ष निकाला कि विशिष्ट विशेषता चालक बल की उपस्थिति में एक संतुलन स्थिति तक पहुंचने के लिए सतह की क्षमता है। उन्होंने यह भी निष्कर्ष निकाला कि एक क्रिस्टलीय माध्यम में प्रत्येक सतह या इंटरफेस के लिए, एक महत्वपूर्ण प्रेरक बल मौजूद है, जो, यदि पार हो जाता है, तो सतह या इंटरफेस को अपने लिए सामान्य रूप से आगे बढ़ने में सक्षम बनाएगा, और यदि पार नहीं होता है, तो पार्श्व विकास तंत्र की आवश्यकता होगी। इस प्रकार, पर्याप्त रूप से बड़ी प्रेरक शक्तियों के लिए, इंटरफेस एक विषम नाभिक या पेंच विस्थापन तंत्र के लाभ के बिना समान रूप से आगे बढ़ सकता है। एक पर्याप्त रूप से बड़े प्रेरक बल का गठन इंटरफेस की विसरणता पर निर्भर करता है, ताकि अत्यधिक विसर्जित इंटरफेस के लिए, यह महत्वपूर्ण प्रेरक बल इतना छोटा होगा कि कोई भी मापने योग्य प्रेरक बल उससे अधिक हो जाएगा। वैकल्पिक रूप से, तेज इंटरफेस के लिए, महत्वपूर्ण प्रेरक बल बहुत बड़ा होगा, और अधिकांश वृद्धि पार्श्व चरण तंत्र द्वारा होगी। ध्यान दें कि एक विशिष्ट ठोसकरण या क्रिस्टलीकरण प्रक्रिया में, ऊष्मागतिकीय प्रेरक बल सुपरकुलिंग की डिग्री द्वारा निर्धारित किया जाता है। आकृति विज्ञान यह आम तौर पर माना जाता है कि क्रिस्टल के यांत्रिक और अन्य गुण भी विषय वस्तु के लिए प्रासंगिक हैं, और यह कि क्रिस्टल आकृति विज्ञान विकास गति विज्ञान और भौतिक गुणों के बीच लापता कड़ी प्रदान करता है। आवश्यक ऊष्मागतिकीय उपकरण जोसियाह विलार्ड गिब्स के विषम संतुलन के अध्ययन द्वारा प्रदान किया गया था। उन्होंने सतह ऊर्जा की एक स्पष्ट परिभाषा प्रदान की, जिसके द्वारा सतह तनाव की अवधारणा को ठोस के साथ-साथ तरल पदार्थों पर भी लागू किया जाता है। उन्होंने इस बात की भी सराहना की कि एक अनिसोट्रोपिक सतह मुक्त ऊर्जा एक गैर-गोलाकार संतुलन आकार को दर्शाती है, जिसे ऊष्मागतिकीय रूप से उस आकार के रूप में परिभाषित किया जाना चाहिए जो कुल सतह मुक्त ऊर्जा को कम करता है। यह ध्यान रखना निर्देशात्मक हो सकता है कि व्हिस्कर वृद्धि मूंछ में उच्च शक्ति की यांत्रिक घटना और विभिन्न विकास तंत्र के बीच संबंध प्रदान करती है जो उनके रेशेदार आकृति विज्ञान के लिए जिम्मेदार हैं। (कार्बन नैनोट्यूब की खोज से पहले, एकल-क्रिस्टल मूंछ में किसी भी ज्ञात सामग्री की सबसे अधिक तन्यता शक्ति थी)। कुछ तंत्र दोष-मुक्त मूंछ का उत्पादन करते हैं, जबकि अन्य में विकास के मुख्य अक्ष के साथ एकल पेंच अव्यवस्था हो सकती है-उच्च शक्ति वाले मूंछ का उत्पादन। व्हिस्कर वृद्धि के पीछे के तंत्र को अच्छी तरह से समझा नहीं गया है, लेकिन ऐसा लगता है कि यांत्रिक रूप से प्रेरित तनाव, विभिन्न तत्वों के प्रसार से प्रेरित तनाव और तापीय रूप से प्रेरित तनाव सहित संपीड़ित यांत्रिक तनावों द्वारा प्रोत्साहित किया जाता है। धातु की मूंछें कई मायनों में धातु के डेंड्राइट से भिन्न होती हैं। डेंड्राइट एक पेड़ की शाखाओं की तरह फर्न के आकार के होते हैं, और धातु की सतह पर बढ़ते हैं। इसके विपरीत, मूंछ रेशेदार होती हैं और विकास की सतह, या सब्सट्रेट के समकोण पर प्रक्षेपित होती हैं। प्रसार-नियंत्रण बहुत आम तौर पर जब सुपरसैचुरेशन (या सुपरकुलिंग की डिग्री) अधिक होती है, और कभी-कभी तब भी जब यह अधिक नहीं होता है, विकास गतिविज्ञान प्रसार-नियंत्रित हो सकता है। ऐसी स्थितियों में, पॉलीहेड्रल क्रिस्टल का रूप अस्थिर होगा, यह अपने कोनों और किनारों पर प्रोट्रूशन को अंकुरित करेगा जहां सुपरसैचुरेशन की डिग्री अपने उच्चतम स्तर पर है। इन प्रोट्रूशन की नोक स्पष्ट रूप से उच्चतम सुपरसैचुरेशन के बिंदु होंगे। आम तौर पर यह माना जाता है कि फलाव लंबा (और नोक पर पतला) हो जाएगा जब तक कि रासायनिक क्षमता को बढ़ाने में अंतरफलक मुक्त ऊर्जा का प्रभाव नोक के विकास को धीमा नहीं कर देता है और नोक की मोटाई के लिए एक स्थिर मूल्य बनाए रखता है। बाद की नोक-मोटाई प्रक्रिया में, आकार की एक अनुरूप अस्थिरता होनी चाहिए। छोटे धक्कों या "उभारों" को अतिरंजित किया जाना चाहिए-और तेजी से बढ़ती हुई शाखाओं में विकसित होना चाहिए। ऐसी अस्थिर (या मेटास्टेबल) स्थिति में, एनीसोट्रॉपी की मामूली डिग्री महत्वपूर्ण शाखाओं और विकास की दिशाओं को निर्धारित करने के लिए पर्याप्त होनी चाहिए। इस तर्क का सबसे आकर्षक पहलू, निश्चित रूप से, यह है कि यह डेंड्राइटिक विकास की प्राथमिक रूपात्मक विशेषताओं को उत्पन्न करता है। असामान्य अनाज वृद्धि को भी देखें च्वोरिनोव का नियम बादल संघनन नाभिक क्रिस्टल संरचना ज़ोक्राल्स्की प्रक्रिया डेंड्राइट (धातु) डायना का वृक्ष अंश क्रिस्टलीकरण बर्फ नाभिक लेजर-गर्म पेडेस्टल वृद्धि मैंगनीज नोड्यूल माइक्रो-पुलिंग-डाउन मोनोक्रिस्टलाइन व्हिस्कर प्रोटोक्रिस्टलाइन पुनः क्रिस्टलीकरण (रसायन विज्ञान) बीज क्रिस्टल एकल क्रिस्टल व्हिस्कर (धातु विज्ञान) सिमुलेशन गतिज मोंटे कार्लो सतह विकास विधि संदर्भ क्रिस्टलोग्राफी सामग्री विज्ञान खनिज विज्ञान वीडियो क्लिप वाले लेख