CRISTAUX T.P.E.

formation des cristaux


 


1- CROISSANCE DES CRISTAUX (PREAMBULE) :

             La croissance des cristaux commence quand, après formation d'un minuscule cristal, celui-ci soustrait à son environnement de plus en plus de la substance dont il est composé. Parfois, en l'absence de ce premier cristal minuscule, ou amorce, la cristallisation ne se produit pas et la solution devient sursaturée, exactement de la même façon qu'un liquide descendant sous son point de fusion est surrefroidi (cf. point de congélation). Quand un nouveau composé chimique d'origine organique est préparé, il est parfois difficile de fabriquer le premier cristal, à moins qu'on ne trouve une substance isomorphe. La tendance à cristalliser décroît avec l'accroissement de la viscosité du liquide. Si une solution est fortement sursaturée, ou surrefroidie, elle devient très visqueuse, et la cristallisation devient presque impossible. Tout nouveau refroidissement, ou évaporation, du solvant produit tout d'abord un sirop, puis un verre.
            Certaines substances ont une forte tendance à former des amorces. Si une solution d'une telle substance se refroidit lentement, quelques amorces formeront de gros cristaux, mais si elle se refroidit rapidement, de nombreuses amorces se formeront et deviendront des cristaux minuscules. Le sel de table, purifié en usine par recristallisation, est composé d'un grand nombre de cristaux cubiques parfaits, qui sont difficilement visible à l'œil nu. Le sel gemme, formé par des processus géologiques lents, contient des cristaux énormes de la même forme cubique.
             La formation et la croissance de cristaux au sein de vapeurs, de solution de bains fondus ou de matrices solides constituent un ensemble de phénomènes.
             Le but de la recherche fondamentale est de comprendre les mécanismes de la croissance monocristalline à l'échelle des dimension atomiques et en fonction des propriétés macroscopiques du cristal et du milieu.


2 - LA CROISSANCE PAR FACES PLANES D'UN CRISTAL PARFAIT :

a - Le modèle du demi-cristal (Kossel) :

              La croissance d'une face plane cristalline d'équilibre doit se faire couche par couche, sinon elle ne serait pas plane.
              Pour comprendre cette idée, on utilise le modèle de KOSSEL, c'est un demi-cristal de symétrie cubique dont une couche et une rangée sont incomplètes.
              Pour simplifier au maximum, on considère un seul atome par maille élémentaire ; dont les liaison sont homopolaires (covalentes). (NB. : Ce schéma a été étendu au cristaux ioniques par le calcul (STRANSKI)).


             Les particules provenant de la vapeur saturée peuvent se condenser en plusieurs sites : I, II, III qui sont des sites typiques. Le site le plus probable étant le III jusqu'à ce que la rangée soit complète.
              Le site II servant donc à l'amorçage d'une nouvelle rangée. Lorsqu'une couche est complète, il faut qu'un nouveau germe se place sur un site de type I pour amorcer une nouvelle couche.
              Mais la fixation d'une nouvelle particule en I étant peu probable, la croissance d'une face d'équilibre (face plate) est intermittente, c'est à dire que la croissance s'arrête et reprend à intervalles irréguliers. A la différence des faces en gradins : constituées d'éléments de faces planes.


              Ou en recoin : où tous les sites superficiels sont des sites de croissance et où la germination n'est pas nécessaire à leur avancement.


               Les faces en recoin croissent plus vites que les faces plate. Ce sont donc ces dernières qui persistent dans la croissance au détriment des faces rapides.

b - Germes critiques bidimensionnels :

              Pour qu'un germe qui se forme sur un site I puisse croître, il faut que ses dimensions soient supérieures à des dimensions critiques.
              Par exemple, un germe d'épaisseur monoatomique (un atome) et de rayon moyen r. On note rc le rayon critique, on a :

             Si r < rc : le germe qui à pu se former ne peut que décroître, il disparaît par évaporation.
             Si r > rc : le germe peut croître et donner naissance à une nouvelle couche.
A titre indicatif :

              Pour ordre de grandeur : rc représente quelques centaines d'atomes.
              Mais le modèle de KOSSEL n'est pas suffisant : la probabilité de formation d'un tel germe étant trop petite.


    rechercher sur ce site