Růst monokrystalů a jejich základní charakterizace.

• Název práce v češtině: Růst monokrystalů a jejich základní charakterizace.
• Název v anglickém jazyce: Growth of single crystals and their basic characterization.
• Klíčová slova: Monokrystal, rentgenová difrakce, Laueho metoda, optická pec, metoda plovoucí zóny, korund, anatas
• Klíčová slova anglicky: Single crystal, X-ray diffraction, Laue method, optical furnace, float zone method, corundum, anatase
• Akademický rok vypsání: 2012/2013
• Typ práce: bakalářská práce
• Jazyk práce: čeština
• Ústav: Katedra fyziky kondenzovaných látek (32-KFKL)
• Vedoucí / školitel: doc. RNDr. Jiří Pospíšil, Ph.D.
• Řešitel: skrytý - zadáno a potvrzeno stud. odd.
• Datum přihlášení: 12.07.2012
• Datum zadání: 18.07.2012
• Datum potvrzení stud. oddělením: 08.11.2012
• Datum a čas obhajoby: 10.09.2014 00:00
• Datum odevzdání elektronické podoby: 22.05.2014
• Datum odevzdání tištěné podoby: 22.05.2014
• Datum proběhlé obhajoby: 10.09.2014
• Oponenti: Mgr. Zdeněk Matěj, Ph.D.

Zásady pro vypracování

1) studium literatury, seznámení se s metodami růstu krystalů
2) seznámení se s mechanismem růstu krystalů metodou plovoucí zóny v optické peci instalované v laboratořích KFKL
3) výběr vhodných materiálů pro růst monokrystalů se zaměřením na oxidické materiály ekvivalentních k vybraným přírodním materiálům
4) růst monokrystalů
5) analýza kvality připravených monokrystalů, jejich orientace
5) rozbor vybraných fyzikálních vlastností (morfologie, symetrie, optické vlastnosti) připravených monokrystalů na úrovni znalostí studenta Bc. programu Fyzika.

Seznam odborné literatury

Krupička S.: Fyzika feritů a příbuzných magnetických kysličníků, Academia. Praha 1969
Novotný J.: Základní procesy růstu monokrystalů pro optoelektroniku, Academia. Praha 2003

Předběžná náplň práce

Krystal je forma materiálu sestávající z atomů molekul nebo ionů uspořádaných v pravidelném motivu, který se periodicky opakuje ve všech směrech v celém jeho objemu. Krystaly se mohou vyskytovat jako přírodní minerály nebo mohou být připravovány různými metodami v laboratořích nebo v průmyslu. Ačkoli přírodní minerály často fascinují svými rozličnými barvami a symetrickými mnohostěny, obvykle nejsou vhodné pro technologické účely pro vysoký obsah nečistot a defektů v jejich mříži. Krystaly pro technické účely jsou připravovány z nejlepších dostupných vstupních surovin a proces je realizován za striktně definovaných podmínek vnějšího prostředí. Přesto existují určité skupiny materiálů, kde definované množství nečistot musí být přítomno, aby bylo dosaženo požadovaných fyzikálních vlastností. Takovou skupinou materiálů jsou například příměsové polovodiče. Nečistoty jsou také obvykle zodpovědné za barevnost přírodních minerálů, které se pak používají ve šperkařství.
Krystalizace sestává ze dvou základních procesů. Nukleace a růst samotného krystalu. Nukleace je proces kdy molekuly taveniny začínají tvořit organizované klastry o nanometrové škále, které jsou stabilní za daných experimentálních podmínek. Tyto klastry jsou základem nukleačních center. Nestabilita experimentálních podmínek však muže vést k rychlému zaniknutí klastrů. Klastry musí za stabilních podmínek dosáhnout určité kritické velikosti, aby se mohly stát základem stabilního nukleačního centra. Samotný růst krystalu spočívá v následném citlivém řízeném růstu nukleačního centra. Růst krystalů je extrémně citlivý proces na kvalitu vnějších podmínek a proces také vyžaduje kvalitní technologické zázemí.

Nabízená práce je zaměřena na růst krystalů oxidických materiálů analogických k vybraným přírodním minerálům. Hlavním předmětem práce je analýza vlivu určitých nečistot zodpovědných za barevnost minerálů. Dopanty jsou obvykle oxidy kovů přítomných v koncentraci několika procent. Různé dopanty mohou být zodpovědné za rozličnou barevnost jednoho základního materiálu. Příkladem může být bezbarvý korund a jeho červená modifikace rubín a modrý safír. V průběhu práce bude muset student zvládnout proces sintrování oxidických materiálů a růst krystalů metodou plovoucí zóny v optické peci instalované v laboratořích KFKL. Kvalita a orientace připravených krystalů bude realizovaná za použití Laueho metody. Výsledkem práce bude popis vlivu vybraných dopantů na vlastnosti základních materálů.

Předběžná náplň práce v anglickém jazyce

A crystal is a solid material whose constituent atoms, molecules, or ions are arranged in an orderly repeating pattern extending in all three spatial dimensions. The crystals can occur as minerals naturally or can be growth by using various technological processes in laboratories or in industry. Although the natural crystals of minerals can often fascinate by their nice colors and symmetrical polyhedrons for technological purposes are not suitable because of high amount of defects and impurities in their lattice. The crystals for industrial applications are grown from the best available components and under the strictly controlled environment to eliminate all undesirable effects affecting their expected properties. Nevertheless the specific group of materials exists where certain limited amount of impurities in the lattice must be necessary presented to achieve their specific physical features particularly doped semiconductors. The impurities are also often responsible for various colors of natural minerals which are used in jewellery.
The crystallization process consists of two major events, nucleation and crystal growth. Nucleation is the step where the solute molecules dispersed in the solvent start to gather into clusters, on the nanometer scale that become stable under the current operating conditions. These stable clusters constitute the nuclei. However, when the clusters are not stable, they redissolve. Therefore, the clusters need to reach a critical size in order to become stable nuclei. The crystal growth is the subsequent growth of the nuclei that succeed in achieving the critical cluster size. The crystals growth is due to the extreme sensitivity on external influences advance laboratory (industrial) process required proper technological facilities.

The suggested thesis is focused on single crystals growth of metal oxides as the chemical equivalents of the selected group of natural minerals. The main subject of the thesis is to analyze the influence of the impurities responsible for colors of minerals. The dopants are usually metal oxides presented in few percentages in the basic material. Various dopants often induce large variety of colors of the one basic material for example corundum and its modifications red ruby and blue sapphire. Within the preparation of the thesis the student will have to manage the process of the high temperature sintering of oxides and single crystal growth by float zone method in optical furnace installed in DCMP laboratories. The quality and orientation of the prepared crystals will be realized using Laue method. The expected result of the work will be description of the influence of the selected dopants on properties of the basic materials.