Монокристаллы — это

Что такое монокристаллы

Монокристаллы — это монокристаллы, в которых кристаллическая решетка имеет четкий порядок. Часто монокристалл имеет правильную форму, но этот признак не является обязательным при определении типа кристалла. Большинство минералов представляют собой монокристаллы.

Внешняя форма зависит от скорости роста материала. При медленном увеличении и однородности материала кристаллы имеют правильное сечение. На средней скорости рез не выражен. При высокой скорости кристаллизации вырастают поликристаллы, состоящие из множества монокристаллов.

Классическими примерами монокристаллов являются алмаз, кварц, топаз. В электронике особое значение имеют монокристаллы, обладающие свойствами полупроводников и диэлектриков. Сплавы монокристаллов отличаются повышенной твердостью. Сверхчистые монокристаллы обладают одинаковыми свойствами независимо от происхождения. Химический состав минералов зависит от скорости роста. Чем медленнее растет кристалл, тем совершеннее состав.

Конструкция и применение

Солнечная батарея — набор элементов, служащих для получения электрической энергии от света. Принцип работы основан на фотоэлектрическом эффекте — преобразовании солнечного света в электрический ток. Основные компоненты системы:

• Полупроводник. Как правило, это моно- или поликристаллический кремний, дополненный другими химическими соединениями, способствующими формированию фотоэффекта. Он состоит из 2-х материалов с разной проводимостью, благодаря чему между ними происходит постоянное движение электронов (p-n переход).
• Прокладка — тончайшее покрытие, препятствующее свободному движению электронов, расположенное между слоями полупроводника.
• Источник электричества, когда он соединяется с прокладкой, электроны получают возможность его преодолевать – в результате этого происходит упорядоченное движение заряженных частиц, по сути, генерируется электрический ток.
• Аккумулятор — хранит полученный ток.
• Контроллер заряда – выполняет функцию распределителя потоков электрической энергии.
• Инвертор нужен для преобразования постоянного тока в переменный.
• Регулятор напряжения.

Для использования солнечных батарей в качестве основного источника электроэнергии важно, чтобы количество ясных дней предшествовало пасмурным дням. По этой причине в большинстве регионов нашей страны такие установки используются в основном как вспомогательные системы.

Особенности монокристаллических панелей

Монокристаллическая система состоит из десятков солнечных элементов, объединенных в единую панель. Кристаллы получают культивированием — по методу Чохальски. Каждая из них закреплена на основе из стекловолокна, защищающей от пыли и влаги. Материал элементов – очищенный кремний. Фоточувствительные ячейки ориентированы в одном направлении, благодаря чему эффективность монокристаллических панелей выше, чем у поликристаллических. Другие особенности:

• продолжительность непрерывной эксплуатации — не менее 20 лет;
• КПД монокристаллов составляет в среднем до 20-22% (без учета потерь принимаемой электроэнергии), в отдельных случаях — до 20 %;
• уровень поглощения выше, чем у поликристаллических панелей;

Единственным недостатком монокристаллических систем является более высокая стоимость, но затраты на их приобретение быстро окупаются. При недостатке места, когда крайне важно получить максимальное количество энергии с каждого квадратного метра, такое решение предпочтительнее.

Изготовление

Основным отличием монокристаллов от поликристаллов является сложность изготовления. Монокристалл выращивается долго и требует создания для этого определенных условий.

• Используется небольшой кусочек чистого кремния, который помещается в расплав.
• Он становится основой для кристалла, который начинает расти, увеличиваться в размерах.
• При достижении значения заданных параметров процесс останавливают, а полученный цилиндр разрезают на тонкие пластины. Это темы для монокристаллических солнечных панелей.
• Затем их шлифуют, наносят защитное покрытие и устанавливают контактные проводники.
• Завершающим этапом является сборка отдельных солнечных элементов в солнечные модули с заданными параметрами.

Преимущества

К преимуществам монокристаллических панелей относятся:

• эффективность, которая превышает производительность всех других типов солнечных панелей. Достигается за счет структуры кремния, что позволяет достичь КПД 17-22 %
• небольшая площадь панели по сравнению с другими конструкциями
• долговечность монокристаллических панелей до 25 лет, что не позволяет продемонстрировать альтернативные варианты
• способность работать при низких температурах
• панели показывают достаточно высокую производительность даже в условиях низкой освещенности

Преимущества, которые демонстрируют монокристаллические солнечные панели по сравнению с другими конструкциями, в значительной степени перевешиваются их отрицательными свойствами.

Достоинства

Монокристаллические солнечные панели имеют ряд преимуществ:

1. Они обладают лучшим КПД среди всех современных моделей.
2. Хорошо работает при низких температурах.
3. Имеют длительный срок службы (до 25 лет).
4. Они занимают меньше места по сравнению с другими аналогами с таким же эффектом обогрева.

Недостатки

К недостаткам монокристаллических модулей можно отнести:

• высокая цена. Производственный процесс занимает много времени, требует создания определенных условий для роста кристаллов. Кроме того, необходимо поддерживать эти условия неизменными в течение длительного времени. Это увеличивает себестоимость конечного продукта, а производители пока не в силах ее снизить
• чувствительность панелей к появлению загрязнений, затенению части поверхности. Это негативно сказывается на работоспособности всего модульного блока, но устраняется установкой микроинверторов. Они сглаживают режим работы всех модулей, но еще больше увеличивают общую стоимость солнечных панелей

Основным недостатком, ограничивающим применение монокристаллов, является чрезмерно высокая цена. Пользователи, подсчитав сумму вложений, отдают предпочтение более дешевым поликристаллам.

Особенности поликристаллических панелей

Поликристаллы получают постепенным охлаждением расплавленного кремния. Эта технология дешевле искусственного выращивания монокристаллов, но на краях поликристаллов может быть зернистость, что приводит к снижению эффективности. Принципиальным отличием от монокристаллов является неоднородная структура и цвет. Это связано с примесями и тем, что в системе присутствуют кристаллы разных типов. Характеристики:

• КПД ниже, чем у монокристаллических элементов — до 17-18 %;
• приемлемая цена – производство поликристаллических панелей менее затратно;
• скорость потери мощности (деградации) поликристаллов меньше, чем у монокристаллов.

Таким образом, если стоит задача получения определенного количества электроэнергии, при использовании поликристаллических панелей потребуется большая площадь. Есть мнение, что их выгоднее использовать в регионах с преобладанием пасмурных дней — при недостатке солнца поликристаллы дают больше энергии, чем монокристаллы.

Преимущества

Если возникает вопрос — монокристаллические и поликристаллические солнечные модули, что лучше — необходимо подробно рассмотреть их преимущества. Преимущества поликристаллов:

• более быстрый и экономичный способ производства
• отставание от монокристаллов по всем параметрам не слишком существенное
• цена поликристаллических модулей примерно на 20% ниже, что дает большую экономию при покупке больших партий

Следует помнить, что некоторые производители (например, Trina Solar, один из лидеров мирового рынка) демонстрируют более высокие характеристики поликристаллических солнечных панелей. По производительности они превосходят монокристаллы на 2,6%, хотя по остальным параметрам примерно равны. Однако у других производителей такого превосходства нет.

Читайте также: Зачем и как правильно произвести заземление ванны в квартире

Достоинства

1. Процесс производства дешевле и проще. Это влияет на стоимость товара.
2. Хорошая производительность в пасмурную погоду из-за неровной поверхности панели.
3. Поликристаллические солнечные панели более разнообразны по размеру и форме.
4. Более устойчивы к изменениям температуры окружающей среды.

Недостатки

К недостаткам поликристаллических панелей обычно относят:

• КПД этих структур составляет всего 12-18 %
• более низкий уровень производительности
• долговечность поликристаллов примерно одинакова, но со временем показатель работоспособности заметно падает
• размер панели на 20% больше, чем у монокристаллических модулей с той же производительностью. Это играет важную роль, когда необходимо разместить их в ограниченном пространстве — на потолке или другой поверхности

Следует помнить, что недостатки поликристаллических панелей не настолько значительны, чтобы пользователи массово отказывались от их использования. Наоборот, спрос на эти конструкции намного выше, чем на все альтернативные варианты. Это обусловлено оптимальным на данный момент соотношением стоимости и параметров модулей.

Сравнение основных характеристик монокристаллических и поликристаллических элементов

Каждая из систем имеет свои преимущества и недостатки. Как решить, что предпочтительнее, монокристаллы или поликристаллы? Обращаем ваше внимание на сравнительную таблицу, в которой оцениваются ключевые характеристики каждого из вариантов:

Параметр	Монокристаллы	Поликристаллы	Заключение
Температурный коэффициент	0,45 %	0,45 %	Снижение мощности в обоих типах систем практически одинаково
Скорость деградации	С 3% в первый год работы, в последующие годы — с 0,71 %.	С 2% в первый год работы, с 0,67% в последующие годы.	Разница незначительна, поэтому ею можно пренебречь.
Цена	Высокая стоимость обусловлена ​​сложностью производства.	на 10-15% дешевле монокристаллических элементов.	Для многих решающим фактором в пользу поликристаллических панелей является цена.
Светочувствительность (при уровне освещенности 600 Вт/м 2	При одинаковых силовых модулях разница не превышает 10 %.	На самом деле этим показателем можно пренебречь.
годовое производство	По данным лаборатории PHOTON, для монокристаллов она несколько выше (не более 2%). Однако более детальные исследования показали, что имеет значение не только тип панели, но и бренд.	Характеристики конкретного солнечного элемента важнее — они являются ключевым критерием при выборе.

При выборе солнечных панелей необходимо обращать внимание не только на тип фотоэлементов, но и на другие критерии: соотношение цена-качество, заявленный ресурс (гарантийный срок), напряжение на максимальной мощности и комплектация.

Критерии сравнения

Чтобы определить, какая солнечная панель лучше, необходимо отдельно сравнить значимые рабочие параметры как монокристаллических, так и поликристаллических модулей.

Температурный коэффициент

Когда солнечный свет попадает на поверхность панели, панель нагревается. Кроме того, на температуру операции влияет и процесс преобразования свободных электронов в электричество. В нормальную погоду температура на поверхности солнечной батареи достигает в среднем 65 градусов, а в жару может доходить до 85 градусов. И что особенно важно — чем больше нагреваются солнечные батареи, тем ниже становится их мощность, а следовательно и эффект. В технической документации на солнечные панели указана максимальная мощность при температуре эксплуатации 25 градусов. В этом смысл температурного коэффициента. Монокристаллические панели имеют темно-черный цвет, сильнее нагреваются и поэтому более чувствительны к высоким температурам. Поэтому здесь выигрывает поликристалл.

Монокристаллы или поликристаллы лучше для солнечных батарей

Деградация в период эксплуатации LID

Важным моментом в эксплуатации солнечных панелей является деградация, вызванная потенциалом потерь СИД. Это износ, вызванный регулярным воздействием солнечных лучей. При эксплуатации монокристаллических аккумуляторов зафиксирована меньшая деградация, то есть за 25 лет эксплуатации панелей их мощность уменьшилась всего на 5%, чего нельзя сказать о поликристаллических. Их показатель достигает 10%.

Фоточувствительность

Фоточувствительность является решающим критерием выбора для установки системы солнечных батарей в определенных регионах. Этот показатель означает, насколько фотоэлементы панели могут улавливать солнечное излучение под разными углами и в пасмурную погоду. Для регионов, где не так много солнечных дней, очень важна мощность аккумулятора в плохую погоду. На практике с этой задачей лучше справляются поликристаллические пластины, а вот монокристаллы активнее перерабатывают «голубой свет». То есть при наличии небольшого просвета с солнечным светом в пасмурные дни поликристаллические панели смогут улавливать как прямой свет, так и отраженный.

Суммарная выработка в год

Если вы хотите получить максимальную отдачу от вашей солнечной системы, вам следует сравнить общую производительность каждой батареи. Так как монокристаллические солнечные панели изготавливаются из высококачественного сырья, они работают мощнее. За год разница с поликристаллическими батареями может достигать 30%, в зависимости от количества единиц и солнечной радиации в регионе.

Какие солнечные батареи лучше? Монокристалл или поликристалл

Солнечные элементы за последние десять лет прошли путь от знаний и дорогостоящих разработок с низким КПД до прикладных и популярных областей. Их можно использовать для зарядки гаджетов в походе, а также использовать в качестве основного или резервного источника питания для дома и не только. Кроме того, некоторые технические решения могут показаться необычными, например использование в качестве дополнительного источника энергии в транспортных средствах.

Элемент, получающий электрическую энергию непосредственно от солнца в достаточном количестве, не в состоянии обеспечить ее постоянно. Он должен храниться в батареях, чтобы его можно было использовать при необходимости в любое время.

Солнечные панели устроены по простой схеме, которая включает в себя полупроводниковый фотоэлемент из кремния, соединительные провода и корпус. Световые лучи воздействуют на свободные электроны в фотоэлементе, заставляя их двигаться. Результирующий ток течет по проводам к нагрузке. Вместо нагрузки в схему панели может быть включен аккумулятор, обеспечивающий потребителей электрической энергией в ночное время, когда интенсивность дневного света мала из-за погодных условий.

Солнечная панель

Как в монокристаллическом модуле, так и в ячейке на основе поликристалла в устройстве используются кремниевые полупроводниковые пластины. Пластина монокристаллической панели состоит из одного полупроводникового кристалла кремния, в то время как поликристаллическая панель использует многочиповую структуру.

Конструкция и применение

По устройству все солнечные инверторы делятся на монокристаллические и поликристаллические. Конструкция каждой панели определяет ее эффективность и стоимость. Мировые производители этих приборов в качестве рабочих тел используют кремний, теллурид кадмия и соединения на основе меди, индия, галлия и селена. Последними достижениями в этой области являются аккумуляторы, рабочим материалом которых является арсенид галлия.

Монокристаллические и поликристаллические панели

Отечественная промышленность по производству солнечных генераторов в основном использует кремниевые полупроводниковые пластины. Готовые модули, предназначенные для выработки электрического тока, сочетают в себе набор ячеек с их конструкцией. Плоские панели устанавливаются на специальные стойки с поворотными устройствами, с помощью которых устанавливается максимально возможный угол падения солнечных лучей на полупроводник в течение дня. Более дешевой, но менее эффективной альтернативой является использование фиксированных конструкций, установленных под определенным постоянным углом.

Важным элементом любой солнечной установки являются аккумуляторы, хранящие электроэнергию для использования ночью или в тускло освещенное время дня. Затем оно поступает от аккумуляторов непосредственно в нагрузку, либо сначала в преобразователь 12 (24) — 220 В, а затем к потребителю в зависимости от типа.

Генерировать солнечную энергию выгодно там, где много ярких дней в году. Большинство регионов Российской Федерации непригодны для использования только солнечной энергии. Солнечные генераторы чаще используются только в качестве дополнительных устройств электропитания.

Что такое монокристаллическая солнечная батарея

Мы уже упоминали, что существует два типа панелей: поликристаллические и монокристаллические. Для начала рассмотрим монокристаллический элемент — он дороже, но и мощнее.

Монокристаллический модуль

Характеристики

Для такой батареи выращивается специальный монокристалл кремния по методу Чохральского. Этот материал дороже поликристаллической пластины, но благодаря высокому качеству монокристаллический модуль имеет более высокую эффективность. Монокристаллические солнечные панели, состоящие из отдельных кремниевых элементов, имеют КПД около 20–22%.

Лучи света, падающие на поверхность монокристалла кремния, вызывают направленное движение свободных электронов. С обеих сторон кристалла к нему подведены провода, и идут к потребителю.

Эффективность такой пластины достаточно высока, так как солнечные лучи в ней не распространяются, а равномерно распределяются по всей поверхности кристалла. Площадь p-n перехода в пластине велика, благодаря чему электроны беспрепятственно переходят из одной части полупроводника в другую.

Устройство монокристаллических солнечных панелей

Технология выращивания крупных полупроводниковых монокристаллов достаточно трудоемка, из-за чего цена на такой аккумулятор всегда выше, чем на аналогичный продукт на основе поликристаллов. Разница в стоимости устройств составляет 10%, что является основным недостатком монокристаллической батареи.

Цена монокристаллической панели мощностью 150 Вт составляет 5 400 рублей, а батарея на 200 Вт такой же конструкции стоит 11 700 рублей. Гораздо дороже, чем устройства мощностью 230 Вт и 300 Вт

Что такое поликристаллическая батарея

Если основным элементом монокристаллической батареи является искусственно выращенный монокристалл больших размеров, то светоприемник другого типа имеет полупроводниковый элемент поликристаллической структуры.

Считается, что поликристаллические солнечные панели являются лучшим вариантом для потребления солнечной энергии. Они дешевле своего монокристаллического аналога, так как для производства используют лом, оставшийся от монокристаллических элементов. Кремний при производстве рабочего элемента поликристаллической панели просто охлаждается из термоклея, что не требует больших затрат и сложных технологий.

По внешнему виду поликристалл кремния отличается от монокристалла неоднородностью цветового спектра, отливающего синим и голубым. Постоянное совершенствование технологии производства приближает поликристаллические батареи по качеству к сборкам из монокристаллов.

Характеристики

Помимо меньшей стоимости, поликристаллические модули отличаются от монокристаллов тем, что снижение мощности по мере увеличения срока эксплуатации происходит значительно медленнее.

Также очень важно, что при нагреве поликристаллический полупроводниковый элемент не так сильно снижает свои рабочие свойства, как монокристаллы.

Поликристаллические солнечные элементы от производителя SilaSolar мощностью 50 Вт и напряжением 12 В на момент написания статьи стоят 2790 рублей. Такой же аккумулятор от того же производителя, но на 100 Вт, имеет цену 4200 рублей.

Установка солнечной панели

Для более эффективного использования батареи при монтаже необходимо учитывать следующие факторы:

• место расположения устройства не должно быть затенено тенью других предметов в течение дня;
• чтобы поступление световых лучей на фотоэлемент было максимальным, его целесообразно оснастить поворотным устройством, сохраняющим постоянную ориентацию на солнце;
• оптимальный угол наклона модуля к вертикали сильно зависит от района расположения солнечной электростанции и времени года, всем известно, что зимой солнце находится ниже над горизонтом;
• ухаживая за передней частью устройства, очищая стекло от слоев грязи и снега, необходимо обеспечить легкий доступ к нему человека.

Собрать солнечную установку своими руками можно, предварительно изучив соответствующую литературу.

Но если у вас нет хотя бы базовых знаний в области электричества и электроники, стоит оставить дело специалистам.

Тестирование

Для сравнения двух солнечных панелей с одинаковой мощностью по КПД целесообразно провести на них эксплуатационные испытания. Для этого необходимо установить моно и поли аккумуляторы одинаково по отношению к солнцу и измерить реальную мощность приборов в зависимости от времени суток, от степени нагрева полупроводникового элемента.

Также учитывайте все остальные параметры, где они будут отличаться. В том числе снижение мощности агрегатов после определенного периода эксплуатации. Полученные результаты дадут исчерпывающую информацию о том, какие из солнечных панелей лучше и какому из производителей этих устройств следует отдать предпочтение в будущем.

Что лучше: монокристаллические или поликристаллические солнечные панели
Сравнение общих преимуществ и недостатков монокристаллических и поликристаллических солнечных панелей. Выбирая подходящую солнечную панель, на что обратить внимание и чему отдать предпочтение?

Минусы панелей обоих видов

Несмотря на то, что есть разница в технологическом процессе, эти солнечные модули имеют одни и те же недостатки, которые в основном связаны с характерными свойствами кремния:

1. Поликристаллические солнечные модули, как и монокристаллические, обладают повышенной хрупкостью. Поэтому их необходимо размещать на твердой ровной поверхности. Если на поверхности ячейки образовалась трещина, панель не пригодна к дальнейшей эксплуатации.
2. Эффективность преобразования солнечной энергии не очень высока. Поликристаллические панели имеют КПД до 15-18%, а монокристаллические — 22%. Даже панели, задействованные в космической технике, обеспечивают КПД не более 38 %.
3. Работоспособность обоих аккумуляторов полностью зависит от солнечной погоды. То есть наибольшая эффективность будет в южных регионах, где солнце светит дольше и количество ясных дней преобладает над пасмурными.
4. Для обеспечения работы солнечных панелей (моно- или поли-) нужна силовая установка или аккумулятор для преобразования энергии и стабилизации выходного напряжения.
5. Процессу старения одинаково подвержены как поли, так и монокристаллы. Монокристаллические элементы теряют 20% своей эффективности за четверть века, поликристаллические — до 30% за тот же период. Несмотря на бесперебойную подачу энергии, солнечная панель со временем должна обновляться.
6. Стоимость продукта, в котором используются энергосберегающие технологии, достаточно высока по сравнению с ценой на обычные товары.

Эффективные решения для вашего дома

Как видите, мы так и не смогли дать однозначного ответа на вопрос, какие солнечные элементы предпочтительнее — моно- или поликристаллические. Наша компания продает солнечные панели с обоими типами панелей – мы предлагаем только проверенные решения, эффективность которых доказана на практике. Приглашаем к сотрудничеству застройщиков и владельцев бытовок, заинтересованных в получении доступной, а главное, экологически чистой электроэнергии:

Возможные способы роста и образования

1. Кристаллизация сублимацией. Подобный способ кристаллизации предполагает переход вещества из газообразного состояния в твердое, вне жидкой фазы. Подобный процесс в природе происходит в вулканических трещинах или кратерах, когда материал быстро остывает. Самый простой пример, однако, это образование снежинок из воды зимой.
2. 
   Кристалл воды — снежинка
3. Кристаллизация – это переход вещества из твердого состояния в твердое, который может происходить по двум сценариям.
   1. Первый – это переход вещества из аморфного твердого состояния в кристаллическое. Так, например, происходит кристаллизация стекла, в том числе кристаллизация вулканических пород, содержащих стекло.
   2. Второй – перекристаллизация материи с разрушением старой структуры и образованием новой. Таким образом образуется большинство горных пород. Хорошо известные примеры перекристаллизации включают переход известняка в мрамор, кварцевого песчаника в кварцит или изверженной породы в филлит.
4. Кристаллизация из растворов и расплавов. Наиболее распространенная естественная форма образования. Затем на дне водоемов «отложились» кристаллы соли. Точно так же искусственно выращивают алмаз, сапфир или рубин.

Монокристалл рубина (корунд)

Виды кристаллов

Сравнение структур монокристаллов и поликристаллов

Кристаллы делятся на монокристаллы и поликристаллы. Монокристаллами называют вещества, кристаллическая структура которых распространяется на весь организм. Такие тела однородны и имеют сплошную кристаллическую решетку. Обычно такой кристалл имеет ярко выраженную огранку. Примерами природного монокристалла являются монокристаллы каменной соли, алмаза и топаза, а также кварц.

Монокристалл сульфата алюминия-калия

Многие вещества имеют кристаллическую структуру, хотя обычно не имеют характерной формы кристаллов. К таким веществам относятся, например, металлы. Исследования показывают, что такие вещества состоят из большого количества очень мелких монокристаллов – кристаллических зерен или кристаллитов. Вещество, состоящее из множества таких разноориентированных монокристаллов, называют поликристаллическим. Поликристаллы часто не имеют огранки, а их свойства зависят от среднего размера кристаллических зерен, их взаимного расположения, а также строения межзеренных границ. К поликристаллам относятся такие вещества, как металлы и сплавы, керамика и минералы, а также другие.

Поликристалл висмута

Этимология

Примечательно, что название кристаллов происходит от греческих слов «затвердевать» и «холодный», а во времена Гомера этим словом называли горный хрусталь, который тогда считался «застывшим льдом». Первоначально этим термином называли только ограненные прозрачные образования. Но позже кристаллами стали называть и непрозрачные и неограненные тела природного происхождения.

Горный хрусталь

Кристаллическая структура и решетка

Идеальный кристалл представляется в виде периодически повторяющихся одинаковых структур — так называемых элементарных ячеек кристалла. В общем случае форма такой ячейки представляет собой косой параллелепипед.

Следует различать такие понятия, как кристаллическая решетка и кристаллическая структура. Первая представляет собой математическую абстракцию, показывающую правильное расположение определенных точек в пространстве. Тогда как кристаллическая структура – ​​это реальный физический объект, кристалл, в котором с каждой точкой кристаллической решетки связана определенная группа атомов или молекул.

Кристаллическая структура граната — ромб и додекаэдр

Основным фактором, определяющим электромагнитные и механические свойства кристалла, является строение элементарной ячейки и связанных с ней атомов (молекул.

Анизотропия кристаллов

Основным свойством кристаллов, отличающим их от аморфных тел, является анизотропия. Это означает, что свойства кристалла различны в зависимости от направления. Так, например, неупругая (необратимая) деформация осуществляется только по определенным плоскостям кристалла и в определенном направлении. Из-за анизотропии кристаллы по-разному реагируют на деформацию в зависимости от направления.

Однако существуют кристаллы, не обладающие анизотропией.

Когда теория обгоняет практику

Константин Кох занимается кристаллами селенида галлия (GaSe) и топологическими изоляторами на основе тетрадимита, соединений со структурой сульфотеллурида висмута Bi2Te2S. Оба материала представляют большой интерес для физиков, поскольку их можно использовать в высокотехнологичных устройствах. Селенид галлия считается перспективным источником терагерцового излучения, используемого в полупрозрачных досмотровых сканерах, медицинских диагностических приборах и анализаторах газовых смесей. Однако вырастить прочные чистые монокристаллы селенида галлия не так просто, что затрудняет их коммерческое внедрение.

«Это очень странный материал. Представьте себе кусок дерева, завернутый в алюминиевую фольгу. Дерево — диэлектрик, оно не проводит электричество, в отличие от фольги проводят электричество, но по поверхности, в отличие от фольги, проходят электроны, и только с определенным спином», — объясняет исследователь.

Благодаря такому необычному свойству топологические изоляторы могут использоваться в квантовых компьютерах в качестве носителей информации или служить основой для сверхбыстрых транзисторов, конкурирующих с графеном. Но пока это звучит как фантастика. Попытки вырастить монокристаллы топологических изоляторов с заданными параметрами закончились неудачей. Из-за множества структурных дефектов кристаллы быстро окислялись на воздухе, и их внутренний объем проводил электрический ток.

Поликристаллы

Монокристаллы и поликристаллы характеризуются высоким молекулярным взаимодействием. Поликристалл состоит из множества монокристаллов и имеет неправильную форму. Иногда их называют кристаллитами. Они появляются в результате естественного роста или культивируются искусственно. Поликристаллы могут быть сплавами, металлами, керамикой. Основные характеристики состоят из свойств монокристаллов, но большое значение имеют размеры зерен, расстояние между ними и границами зерен. При наличии границ физические свойства поликристаллов существенно изменяются, а их прочность снижается.

Поликристаллы образуются в результате кристаллизации, изменения кристаллических порошков. Эти минералы менее стабильны, чем монокристаллы, что приводит к неравномерному росту отдельных зерен.

Полиморфизм

Монокристаллы — это вещества, которые могут находиться одновременно в двух состояниях, которые будут различаться по своим физическим свойствам. Эта особенность называется полиморфизмом.

При этом вещество в одном состоянии может быть более устойчивым, чем в другом. Когда условия окружающей среды меняются, ситуация может измениться.

Полиморфизм бывает следующих видов:

1. Реконструктивный — происходит распад на атомы и молекулы.
2. Деформация – структура видоизменяется. Происходит сжатие или расширение.
3. Сдвиг – некоторые элементы конструкции меняют местоположение.

Свойства кристалла могут меняться при резком изменении состава. Классический пример полиморфизма — углеродная модификация. В одном состоянии это алмаз, в другом — графит, вещества с разными свойствами.

Некоторые формы углеводов превращаются в графит при нагревании. Изменение свойств может происходить без деформации кристаллической решетки. В случае железа замена некоторых компонентов приводит к исчезновению магнитных свойств.

Прочность кристаллов

Любой материал, используемый в современной технике, имеет конечную прочность. Сплав никеля, хрома и железа обладает наибольшей прочностью. Повышение прочности металлов позволит улучшить военную и гражданскую технику. Повышенная износостойкость приведет к увеличению срока службы. По этой причине ученые давно изучают прочность монокристаллов.

Чистые монокристаллы представляют собой кристаллы с идеальной кристаллической решеткой и содержат небольшое количество дефектов. При уменьшении количества дефектов прочность металлов возрастает в несколько раз. При этом плотность металла остается практически неизменной.

Монокристаллы с идеальной решеткой устойчивы к механическим воздействиям вплоть до температуры плавления. Не меняйте со временем. Чаще всего такие монокристаллы имеют нулевую дислокацию. Но это необязательное условие. Прочность объясняется тем, что микротрещины образуются в местах, где имеется наибольшее количество дислокаций. А при их отсутствии места для щелей нет. Это означает, что монокристалл продержится до тех пор, пока не будет превышен порог его прочности.

Искусственные монокристаллы

выращивание монокристаллов возможно на современном уровне науки. При обработке металла, не меняя его состава, можно создать монокристалл, обладающий высоким запасом прочности.

Существует 2 метода получения монокристалла:

• сверхвысокое давление и литье металлов;
• криогенное давление.

Первый метод популярен при обработке легких металлов. Учитывая чистоту металла и возрастающее давление, постепенно будет появляться новый металл, обладающий теми же свойствами, но с повышенной прочностью. При определенных условиях можно получить монокристалл с идеальной решеткой. При наличии примесей существует вероятность того, что кристаллическая решетка не будет идеальной.

В тяжелых металлах при повышении давления происходит процесс изменения структуры. Монокристалл еще не появился, а вещество изменило свойства.

Криогенное литье основано на производстве криогенных жидкостей. Кристаллизация не происходит под действием магнитного поля. Полукристаллическая форма становится кристаллом после электрического заряда.

Алмаз и кварц

Свойства алмаза основаны на том, что это вещество с атомарной кристаллической решеткой. Связь между атомами определяет прочность алмаза. При постоянных условиях алмаз не меняется. При воздействии вакуума он постепенно превращается в графит.

Размеры кристаллов значительно различаются. Синтетически выращенные алмазы имеют кубическую поверхность и внешне отличаются от своих аналогов. Свойства алмаза используются для резки стекла.

Кристаллы кварца встречаются повсеместно. Минерал является одним из самых распространенных. Кварц обычно бесцветен. Если внутри камня много трещин, то он белый. При добавлении других примесей он меняет цвет.

Кристаллы кварца используются в производстве стекла, для создания ультразвука, в электротехнической, радио-, телеаппаратуре. Некоторые разновидности используются в ювелирных изделиях.

Структура монокристаллов

Металлы в твердом состоянии имеют кристаллическую структуру. Структура монокристаллов представляет собой бесконечный ряд чередующихся атомов. В действительности порядок атомов может быть нарушен из-за тепловых воздействий, механических или по целому ряду других причин.

Различают 3 типа кристаллических решеток:

• вольфрамовый тип;
• медный тип;
• тип магния.

Другие факты

• Существует такое явление, как прорастание кристаллов. Это означает процесс, в котором люди пересекаются и пересекаются друг с другом.
• Существуют так называемые ионные кристаллы, которые в основном состоят из ионов, связь которых образуется за счет электростатического притяжения. К таким телам относятся фторид калия и натрия, хлорид и бромид калия и др.
• Есть 47 простых форм, из которых можно сделать кристалл. Среди них: призма, пирамида, тетраэдр, трапеция, ромбоэдр и др.
  Кристаллические формы
• Одни из самых больших кристаллов в мире были обнаружены в Мексике, в Хрустальной пещере. Итак, найденный кристалл селенита (прозрачный гипс) был около метра в ширину и пятнадцать метров в длину.
• Согласно отчету, опубликованному в 1914 году, в шахте в Южной Дакоте был найден кристалл сподумена (алюмосиликата лития) длиной 12,8 метра и весом 90 тонн.