crescita dei cristalli

crescita dei cristalli

Processo di formazione di un solido cristallino da una fase fluida, che ha origine da un piccolo cristallo iniziale, il germe, al quale si aggregano successivamente nuovi atomi (o molecole, o ioni) in gran numero, rispettando (almeno nel caso ideale) le proprietà geometriche di simmetria che caratterizzano il cristallo. Si possono dare differenti casi. Il fluido da cui si origina il cristallo può essere: (a) la fase liquida della sostanza che costituirà il cristallo: si parla allora di crescita da fuso; (b) una fase liquida in cui siano disciolti differenti ioni, tra cui quelli che andranno a costituire il cristallo: si parla allora di crescita da soluzione; (c) il vapore della sostanza che per sublimazione (inversa) andrà a costituire il solido: in questo caso sono gli atomi del vapore che realizzano la crescita bersagliando la superficie del cristallo in formazione, e si parla di crescita da vapore. Non meno importante della natura della fase fluida da cui il cristallo cresce è la velocità di crescita. Nel caso di una crescita secondo una ben definita direzione si ha un unico valore della velocità di crescita, altrimenti è necessario prendere in considerazione le velocità di crescita nelle varie direzioni. La velocità di crescita assume valori estremamente variabili (anche su otto ordini di grandezza, da un millimetro al giorno a un metro al secondo) a seconda delle condizioni fisico-chimiche. In particolare la velocità di crescita dipende dal disequilibrio, descritto dalla differenza di potenziale chimico tra il fluido e il solido, Δμ=μ_ϕλθιδο−μ_σολιδο (naturalmente il potenziale chimico del cristallo, μ_σολιδο, è minore, altrimenti il cristallo, anziché crescere, si dissolverebbe). Tale dipendenza è molto diversa a seconda dei diversi modi di crescita. Nella crescita a strati la superficie è uno dei piani cristallografici del solido, anche se è spesso diversa dai piani cristallini interni. Durante la crescita, su un primo strato se ne deposita un secondo, poi, quando questo è completo o quasi, comincia a formarsene un terzo. Ogni strato si forma a partire da isole bidimensionali che poi coalescono fra loro. La formazione di tali isole è un processo energeticamente dispendioso, dunque non facile e spesso lento. Nella crescita continua il cristallo cresce formando collinette che, pur essendo microscopiche, contengono già numerosi atomi e piani cristallini. Tali collinette hanno spesso la forma di piramidi, prismi o piramidi troncate. Nel modo di Stranski-Krastanov intermedio tra i due precedenti, si opera spesso su un substrato cristallino facendo crescere un cristallo di composizione diversa. I primi pochi strati a contatto col substrato sono forzati ad assumerne la struttura, ma ciò genera forze elastiche che impediscono un’ulteriore crescita a strati, e al di sopra di un certo spessore (microscopico) la crescita diventa continua. Nel flusso di gradini, una superficie tagliata secondo una giacitura che non sia una di quelle definite dalla struttura cristallografica, ma si avvicini solamente a una di esse (superficie vicinale) assume una struttura a gradini. In tal caso, il modo di crescita energeticamente più economico, e quindi più veloce, è il semplice scorrimento dei gradini nel verso discendente della scalinata. Infine nella crescita dendritica, in particolari (ma tutt’altro che rare) condizioni d’instabilità fisico-chimica, i cristalli crescono assumendo forme complesse, ramificate. Ciascuno dei rami forma a sua volta rami secondari dando origine a un dendrite. Le tecniche che si usano per realizzare in modo controllato la crescita dei cristalli sono numerosissime. Due tecniche, estremamente diverse tra loro, di grande rilevanza per le applicazioni scientifiche e tecnologiche sono il metodo di Czochralski e l’ablazione laser. Il metodo di Czochralski, applicato per la prima volta nel 1917, consiste nel tirar fuori lentamente dal fuso il cristallo che cresce. I vantaggi di tale metodo consistono soprattutto nel buon controllo della crescita, che può essere mantenuto durante tutto il processo. Tale controllo è dovuto da un lato alla visibilità del germe e del cristallo in crescita, dall’altro alla possibilità di realizzare la crescita nella direzione desiderata, alla sola condizione di disporre di un germe opportunamente orientato. I cristalli ottenuti col metodo di Czochralski sono spesso di eccellente qualità. L’ablazione laser è un metodo molto più recente: sebbene inventato nel 1965, è stato largamente usato solo a partire dal 1980. La tecnica consiste nel depositare su un substrato riscaldato a un’opportuna temperatura il materiale che interessa rimuovendolo da un bersaglio irradiato da un laser impulsato. Ciò consente, usando contemporaneamente più bersagli, di creare cristalli dalla composizione complessa chimicamente e cristallograficamente. Al fine di ottimizzare il processo di ablazione occorre usare impulsi laser estremamente brevi (non più di qualche millisecondo). Con questa tecnica sono stati prodotti i cristalli dei superconduttori ad alta temperatura, che sono perovskiti complesse, non facili da far crescere con altri metodi.

→ Crescita di superfici