Кристаллизация
Кристаллиза́ция, образование кристаллов из расплавов, растворов, газовой фазы или плазмы, а также из аморфных веществ или кристаллов другой структуры. В процессе кристаллизации атомы, молекулы или ионы вещества выстраиваются в кристаллическую решётку. Кристаллизация является неравновесным фазовым переходом 1-го рода. Условия равновесия кристалла со средой (расплавом, паром, раствором и др.) определяются как фазовое равновесие агрегатных состояний вещества при фазовых переходах 1-го рода: равенство температуры, давления и химического потенциала. Необходимое условие роста кристалла – отклонение от равновесия, определяемое переохлаждением (отличием температуры от равновесной) и пересыщением (отличием давления или концентрации от равновесных значений). Термодинамическая движущая сила фазового перехода тем выше, чем больше отклонение от равновесия. Переход вещества в кристаллическую фазу сопровождается выделением скрытой теплоты кристаллизации, и при неполном отводе этой теплоты возможно уменьшение отклонения от равновесия и замедление процесса. Как фазовый переход 1-го рода кристаллизация сопровождается скачком удельного объёма по отношению к исходной фазе, и это может приводить к изменению давления в кристаллизующейся системе. Таким образом, кристаллизация – это сложный процесс тепломассопереноса, который управляется термодинамическими и кинетическими факторами. Многие из них трудно контролировать. Уровень чистоты, температура и концентрация компонентов в непосредственной близости к фазовой границе, перемешивание, теплообмен могут быть главными факторами, определяющими размер, число и форму возникающих кристаллов.
Центры кристаллизации
Процесс кристаллизации состоит из двух стадий: зарождение центров кристаллизации и рост кристаллов. Начальная стадия – зарождение центров кристаллизации – представляет собой образование кластеров с характерной для кристалла упорядоченностью. Но иногда их структура может отличаться от структуры устойчивого макроскопического кристалла. Образование таких кластеров в чистых жидкостях или газах происходит ниже температуры плавления массивного кристалла в результате случайных столкновений при тепловом движении атомов или молекул. При температурах ниже равновесной объединение частиц в кристаллический кластер термодинамически выгодно, но появление его новой поверхности требует затраты энергии, что является препятствующим фактором при зарождении центров кристаллизации. Чем меньше кластер, тем бóльшая доля частиц составляет его поверхность. Поэтому при малых размерах большинство кластеров распадается вследствие флуктуаций колебательной энергии частиц. С ростом кластера доля поверхностной энергии уменьшается по отношению к объёмной энергии объединения частиц, что повышает устойчивость кластера. При заданном пересыщении существует критический размер, при превышении которого кластеры способны к дальнейшему росту и становятся центрами кристаллизации.
Численной характеристикой интенсивности зарождения центров кристаллизации является частота зародышеобразования (нуклеации) – число центров, возникающих в единицу времени в единице объёма среды. Существующая теория объясняет температурную зависимость частоты нуклеации и связывает её с параметрами среды, в которой идёт образование центров кристаллизации. Для жидкостей с малой вязкостью, например для большинства расплавленных металлов, теория предсказывает большие переохлаждения, при которых должно наблюдаться спонтанное зарождение центров кристаллизации. При дальнейшем увеличении переохлаждения частота нуклеации быстро возрастает, достигая максимума при температуре, приблизительно равной одной трети температуры равновесия кристалла с расплавом. Быстрый спад частоты зарождения центров кристаллизации при ещё более низких температурах обусловлен замедлением теплового движения и сильным возрастанием вязкости. Для более вязких жидкостей максимум частоты сдвинут в сторону более низких переохлаждений и сами значения частоты значительно ниже.
Поскольку многие параметры теории известны с недостаточной для расчётов точностью, важную роль играют экспериментальные данные. Приближение к идеальным условиям достигается использованием в опытах малых капель жидкостей диаметром от нескольких микрометров до нанометров. При спонтанном зарождении требуются большие отклонения от равновесия, а центры кристаллизации характеризуются критическим размером порядка одного нанометра. Например, для расплавов чистых металлов наблюдаемая в опытах температура спонтанного зарождения центров кристаллизации составляет 30–50 % от температуры плавления. Многие силикатные расплавы при охлаждении вообще затвердевают без кристаллизации, образуя стёкла. Экспериментально показано, что в вязких жидкостях процесс зарождения центров кристаллизации нестационарен. Это означает, что характерная для заданного отклонения от равновесия частота зарождения центров кристаллизации появляется только по истечении времени запаздывания, которое может быть достаточно большим, сравнимым или даже превышающим время охлаждения образца. Металлические расплавы характеризуются значительно меньшей вязкостью, и подавление спонтанного зарождения центров кристаллизации для некоторых сплавов возможно лишь при очень быстром охлаждении (со скоростью свыше 106 К/c). Это лежит в основе технологии получения аморфных металлов. Стабильность аморфного состояния обеспечивается сильным замедлением обмена атомами между кристаллом и средой при низких температурах. Наблюдать кристаллизацию полученного таким образом аморфного состояния можно при нагревании, увеличивая интенсивность теплового движения, а выделяющаяся при этом скрытая теплота фазового перехода может существенно интенсифицировать процесс, дополнительно повышая температуру. Для некоторых веществ (германий, кремний, аморфный лёд) наблюдается взрывная кристаллизация аморфного состояния.
В загрязнённых средах центры кристаллизации возникают на посторонних кристаллических частицах при гораздо меньших отклонениях от равновесия. Частота зарождения центров кристаллизации в таких случаях зависит также от материала стенок сосуда, действия излучений. Зародышевые кристаллы на хорошо смачивающейся ориентирующей поверхности имеют приблизительно куполообразную форму, затратная доля поверхностной энергии у них меньше по сравнению с объёмным выигрышем при агрегировании частиц в такой кристаллик. Поэтому такое гетерогенное зарождение центров кристаллизации происходит при меньших переохлаждениях. Контролируемое гетерогенное зарождение центров кристаллизации используется, например, при эпитаксиальном получении монокристаллических плёнок. При выращивании на затравочном центре кристаллизации крупных совершенных монокристаллов, содержащих минимально возможное число дефектов, необходимо избегать появления спонтанных зародышей. Для этого используют небольшое отклонение от условий равновесия. В металлургии при получении кристаллических материалов стремятся получить максимальное число центров кристаллизации, для чего создают глубокое переохлаждение расплавов.
Механизмы роста кристаллов
В зависимости от того, какой является поверхность кристалла в атомном масштабе – гладкой или шероховатой, различают два механизма роста кристаллов: послойный и нормальный. Атомно-гладким поверхностям обычно отвечают наиболее развитые грани с простыми кристаллографическими индексами. Они содержат сравнительно небольшое число дефектов: 
Рис. 1. Атомно-гладкая поверхность кристалла.вакансий и адсорбированных атомов. Края незавершённых атомных плоскостей образуют ступени (рис. 1), которые, в свою очередь, имеют небольшое число изломов. Элементарный акт роста кристалла состоит в присоединении новой частицы к излому и не меняет поверхностную энергию. Последовательное присоединение частиц к излому приводит к его движению вдоль ступени, а ступени – по поверхности; такой рост называется послойным. Плотность ступеней при послойном росте зависит от механизма их генерации. Ступени могут возникать в результате образования и роста двумерных зародышей. Процесс образования двумерных зародышей, способных к дальнейшему росту на атомно-гладкой поверхности, имеет некоторую аналогию с образованием центров кристаллизации в жидкости. Двумерный зародыш также имеет критический размер, начиная с которого он способен к дальнейшему росту. При агрегировании двумерного зародыша препятствующим фактором его развития при малых размерах является затрата работы на линейную энергию его периметра. Но с ростом размера доля линейной энергии периметра становится всё меньше, и начиная с некоторого критического размера двумерный зародыш становится центром роста новой ступени. Частота образования двумерных зародышей очень мала при малых отклонениях от равновесия, соответственно мала и скорость роста, определяемая двумерным зародышеобразованием. Заметные скорости роста при таком механизме образования ступеней начинаются 
Рис. 2. Дислокационный рост кристалла.при ощутимом переохлаждении и очень сильно (экспоненциально) возрастают при его увеличении. Другой механизм генерации ступеней связан с винтовыми дислокациями. Если кристалл содержит винтовую дислокацию, то его рост происходит путём присоединения атомов к торцу ступени, оканчивающейся на дислокации (рис. 2, а). При росте на винтовой дислокации ступень приобретает спиральную форму (рис. 2, б), а заметная скорость роста увеличивается с переохлаждением по квадратичному закону и наблюдается уже при малых отклонениях от равновесия.
На атомно-шероховатых поверхностях (рис. 3) плотность изломов велика и присоединение новых частиц к кристаллу происходит практически в любой 
Рис. 3. Атомно-шероховатая поверхность кристалла.точке его поверхности. Такой рост называется нормальным. Его скорость линейно увеличивается с переохлаждением. Теория роста кристалла связывает плотность упаковки поверхности кристалла с энергией связи между частицами поверхности кристалла и теплотой кристаллизации. Считается, что, если энергия связи достаточно велика, все плотноупакованные грани – гладкие. Это характерно для кристаллов, растущих из пара. Теплота кристаллизации расплавов, как правило, значительно ниже, чем теплота кристаллизации из пара, поэтому и энергия связи частиц в кристалле по сравнению с расплавом меньше, чем по сравнению с паром. В связи с этим поверхность кристалла, растущего из расплава, обычно шероховатая, что определяет нормальный рост и формирование округлённых граней. Переход от шероховатости к огранению возможен при изменении концентрации в двухкомпонентных системах при росте кристалла из раствора. В кристаллах германия и кремния, растущих из расплава, можно наблюдать сосуществование плоских и округлённых граней.
Формы роста кристаллов
Формы роста кристаллов определяются анизотропией их свойств и условиями тепломассопереноса в процессе кристаллизации. Кристаллы с шероховатыми поверхностями имеют обычно округлую форму. При выращивании таких кристаллов из-за большой скорости поверхностных процессов переохлаждение на границе с расплавом малó и растущая поверхность повторяет форму изотермы температурного поля в системе при температуре равновесия. Атомно-гладкие поверхности проявляются в виде граней. Равновесная форма кристаллического многогранника такова, что расстояние от центра до каждой грани пропорционально величине её поверхностной энергии. Равновесная форма является и стационарной формой роста, но в реальном процессе роста она может быть сильно искажена из-за неустойчивости поверхности роста при конечном (а не бесконечно малом) переохлаждении, влиянии примесей.
Если расплав сильно переохлаждён и температура в расплаве убывает по мере удаления от фронта роста, то рост неустойчив: случайно возникший на поверхности кристалла выступ попадает в область большего переохлаждения, и скорость его роста увеличивается. 
Рис. 4. Ячеистая структура фронта кристаллизации.Такая неустойчивость для плоского фронта кристаллизации ведёт к образованию полосчатой или ячеистой структуры кристалла (рис. 4). При росте маленького кристалла эта неустойчивость проявляется начиная с некоторого размера кристалла. На нём развиваются выступы, и он приобретает скелетную или дендритную форму, которая характеризуется появлением вторичных ветвей после достижения первичным выступом критической длины.
Рост больших огранённых кристаллов из неподвижного раствора может быть также неустойчив. Пересыщение в этом случае выше у вершин и рёбер кристалла и меньше в центральных частях грани. Поэтому вершины становятся ведущими источниками роста слоёв. При большой разности пересыщений на вершинах и в центрах граней вершины обгоняют центры граней и возникает скелетная форма кристалла.
При заданной температуре в двухкомпонентной системе равновесие может существовать при разных составах кристалла и расплава. При росте кристалла один из компонентов скапливается перед фронтом, вызывая концентрационное переохлаждение, и это часто приводит к неустойчивости фронта роста.
Разные грани кристалла при росте захватывают разные количества примесей, содержащихся в среде. Так возникает его секториальное строение. Если кристалл плохо захватывает примесь, происходит её накопление перед фронтом роста. Периодический захват этого пограничного слоя растущим кристаллом приводит к формированию зонарной структуры.
Захват примесей приводит к изменению параметров кристаллической решётки, и на границах областей разного состава возникают внутренние напряжения, что приводит к образованию дислокаций и трещин. Дислокации возникают в результате релаксации упругих напряжений в неравномерно нагретом кристалле или могут переходить из затравки в выращиваемый кристалл.
Массовая кристаллизация
Одновременный рост множества кристаллов, широко используемый в промышленности, называется массовой кристаллизацией. Свойства слитков и отливок при кристаллизации металлургических расплавов в сильной степени зависят от количества центров кристаллизации и условий их роста. При затвердевании отливок металлов центры кристаллизации появляются вначале на охлаждаемых стенках изложницы, куда заливают расплавленный металл. Из хаотически ориентированных кристаллов выживают те, которые растут перпендикулярно стенке. Они формируют столбчатую зону вблизи стенки. Конвекционные потоки в расплаве могут обламывать ветви дендритов, поставляя в расплав вторичные центры кристаллизации. Массовая кристаллизация в растворах начинается на гетерогенных центрах кристаллизации или на специально введённых затравочных кристаллах. Столкновения этих кристалликов между собой и со стенками сосуда в перемешиваемом растворе дают начало вторичным центрам кристаллизации. Для создания дополнительных центров кристаллизации используют ультразвуковое дробление растущих кристаллов или добавки поверхностно-активных веществ. Массовая кристаллизация используется также для очистки веществ от примесей.
Применение кристаллизации
В природе кристаллизация приводит к образованию минералов, льда, играет важную роль во многих биологических процессах. Кристаллизация происходит также при некоторых химических реакциях, в процессе электролиза. Она лежит в основе многих технологических процессов: в металлургии, при получении материалов для электроники, оптики. Путём кристаллизации получают массивные монокристаллы и тонкие плёнки. Кристаллизация широко используется в химической, пищевой, медицинской промышленности: в технологии очистки веществ, при производстве соли, сахара, лекарств.