Лаборатория роста кристаллов

Лаборатория роста кристаллов включает в себя две составляющие:

выращивание кристаллов из низкотемпературных расплавов и водных растворов (помещения 404, 432, корпус 3 ННГУ; ответственные – канд. физ.-мат. наук, доцент Ким Екатерина Леонидовна; канд. физ.-мат. наук, доцент Воронцов Дмитрий Анатольевич; зав. лабораторией Егорова Анна Евгеньевна);
выращивание кристаллов из высокотемпературных расплавов и растворов (помещения 434, 436, корпус 3 ННГУ; ответственный – канд. физ.-мат. наук, доцент Иванов Владимир Анатольевич).

В лаборатории проводятся учебные и научно-исследовательские работы, а также выращиваются кристаллы из водных растворов и расплавов. Некоторые из получаемых кристаллов применяются для изготовления оптических элементов в различных приборах и установках, используются для оптических и рентгеновских исследований, проводимых на кафедре и совместно с другими организациями.

Комплекс лабораторных работ является практическим дополнением к лекционному курсу «Образование кристаллов», который читается на кафедре. Проводится теоретическое и практическое изучение дислокационного роста кристаллов и ознакомление с физическими принципами методов выращивания кристаллов. Обучающиеся знакомятся с разными этапами в технологии выращивания: от подготовки раствора до съёма готового кристалла. Выполняемые лабораторные работы предназначены для развития необходимых практических навыков и призваны способствовать подготовке квалифицированных специалистов в области выращивания кристаллов.

Перечень лабораторных работ по курсу “Образование кристаллов”:

Определение температуры насыщения раствора по концентрационным потокам
Ориентированная кристаллизация из растворов
Возникновение и рост кристаллов в капле раствора и расплава
Выращивание кристаллов из раствора
Реальная форма кристаллов и построение идеальной формы
Выращивание кристаллов из гелей
Зонарное и секториальное строение кристаллов
Выявление ростовых дефектов в кристаллах методом избирательного травления
Рост нитевидных кристаллов KDP при наличии примеси Al(NO₃)₃∙9H₂O

Научно-исследовательская работа, проводимая сотрудниками кафедры в лаборатории роста кристаллов, включает различные направления, например, установление взаимосвязей между качеством кристаллов (в частности, зонарного и секториального строения) и условиями их роста, исследование дифракции рентгеновского излучения в легированных кристаллах в условиях воздействия на них светового пучка видимого и ИК диапазонов, исследование кинетики кристаллизации и морфологии поверхности граней кристаллов в зависимости от микропримесного состава раствора при различных пересыщениях и температурах, выяснение механизмов воздействия антифриз-протеинов (AFP) на процессы кристаллизации льда с целью создания высокоэффективных криопротекторов для применения в биологии, медицине и пищевой промышленности.

Водорастворимые монокристаллы выращиваются методами концентрационной конвекции и температурного перепада. Разрабатывается метод получения малодислокационных пластинок KDP, в том числе особо тонких – толщиной от 50 до 200 мкм.

Кроме этого, в лаборатории роста кристаллов регулярно выполняют учебно-исследовательские работы школьники средних и старших классов, некоторые из них впоследствии становятся студентами физического факультета.

Асимметричный кристалл KDP (z-срез), выращенный из точечной затравки (* – область затравки)

Ориентированная (преимущественно) кристаллизация KI на мусковите

Кристалл льда, растущий в деионизованной воде (а) и в водном растворе AFP-III с концентрацией 5 мкг/мл (б).

Лаборатория выращивания кристаллов из высокотемпературных расплавов была открыта на кафедре кристаллографии и экспериментальной физики в 2011 году. Она оснащена современным уникальным оборудованием, позволяющим выращивать кристаллы как методом Чохральского (из расплава вещества, плавящегося без разложения), так и flux-методом (из раствора в расплаве), из составов и веществ, плавящихся при температурах вплоть до 1600 градусов по Цельсию. Скорость вытягивания растущего кристалла из расплава может устанавливаться в широких пределах (10 мкм/ч – 5 мм/ч), ростовая атмосфера может быть воздушной или инертной, возможен рост в вакууме. Можно получать образцы кристаллов с размерами до 2-3 см. Комплект оборудования, произведённый болгарской компанией Enginex Ltd. специально для ННГУ, состоит из установок по выращиванию монокристаллов CRYSTEN и CRYSTEN-M, установки для определения ряда физико-химических параметров расплавов CRYSTEN-С, и нескольких подготовительных печей. Также в лаборатории имеется оборудование для резки, шлифовки и полировки кристаллов.

Оборудование позволяет выращивать разнообразные кристаллические составы, такие как силикаты, фосфаты, молибдаты, вольфраматы, германаты, титанаты, ванадаты, бораты и другие, в том числе кристаллы, легированные примесями. Такие кристаллы могут использоваться как лазерные и нелинейно-оптические материалы для твердотельных лазеров, преобразователей излучения, модуляторов излучения и т.д.

Одним из направлений работы лаборатории в настоящее время является проведение исследований по поиску условий получения нового поколения кристаллов германатов, которые бы превосходили по технологическим, оптическим, спектральным и лазерным характеристикам существующие активные лазерные материалы для ИК-диапазона спектра.

Другим крупным направлением работы является получение серий кристаллов семейства титанил-фосфата калия (KTP) для исследования влияния состава и атомной структуры кристаллов на их физические свойства.