ક્રિસ્ટલગ્રોથ

ક્રિસ્ટલગ્રોથ : કુદરતી તેમજ કૃત્રિમ સ્ફટિકના વિકાસની પ્રક્રિયા. આધુનિક ઉપકરણોમાં સ્ફટિકના વિવિધ ઉપયોગ થવા લાગ્યા છે. ઉદાહરણ તરીકે ફ્રિક્વન્સી કંટ્રોલ ઑસિલેટરમાં ક્વાર્ટ્ઝ; પોલરોડમાં CaCO₃; NaNO₃; ટ્રાન્સડ્યુસરમાં ક્વાર્ટ્ઝ તથા ADP; વિકિરણ-જ્ઞાપકમાં KCl; ઇન્ફ્રારેડ ઑપ્ટિક્સમાં LiF₂; ટ્રાન્ઝિસ્ટરમાં Ge અને Si; મેસર અને લેસરમાં રૂબી તથા GaAs; સોલર સેલમાં GaAs અને CdS વગેરે. કમ્પ્યૂટર તથા ઇન્ટિગ્રેટેડ સર્કિટમાં જુદા જુદા પ્રકારના એકાકી સ્ફટિક (single crystal) તથા સ્ફટિકમય પાતળા સ્તર(crystalized thin sheets)નો વપરાશ પણ ખૂબ જાણીતો છે. તેથી સ્ફટિકવૃદ્ધિ (crystal growth) તથા આનુષંગિક વિષયનો વિકાસ ખૂબ ઝડપી બન્યો છે. જુદાં જુદાં દ્રવ્યના સ્ફટિકને પ્રાયોગિક તેમજ વ્યાપારી ધોરણે મેળવવા માટે તેમના ગુણધર્મને અનુરૂપ અનેક રીતોની શોધ થયેલી છે. તેનું નિરીક્ષણ (survey) કરતાં જણાયું છે કે આશરે 80 ટકા જેટલા સ્ફટિક ગલન-અવસ્થામાંથી, 7 ટકા જેટલા બાષ્પમાંથી, 5 ટકા સ્ફટિક નીચા તાપમાને તેમના દ્રાવણમાંથી, 5 ટકા જેટલા ઊંચા તાપમાને તેમના દ્રાવણમાંથી અને 3 ટકા સ્ફટિકને અન્ય રીત વડે વિકસાવવામાં આવે છે.

સ્ફટિકવિકાસ એક એવી વિષમાંગી રાસાયણિક પ્રક્રિયા છે જેમાં દ્રવ્યનું એક અવસ્થામાંથી બીજી અવસ્થામાં રૂપાંતર થતું હોય છે. આધુનિક ઉપકરણમાં વપરાતાં દ્રવ્ય માત્ર વિશુદ્ધ હોય તે પૂરતું નથી; પરંતુ લઘુતમ ક્ષતિ (defect) અર્થાત્ મહત્તમ પૂર્ણતા (perfection) ધરાવતા સ્ફટિક-સ્વરૂપે હોય તે અત્યંત આવશ્યક છે. સાનુકૂળ પરિબળોની અસર નીચે તૈયાર કરવામાં આવતા એકલ સ્ફટિક આવી ગુણવત્તા ધરાવે છે. સ્ફટિકવિકાસની મુખ્ય ત્રણ પદ્ધતિઓ છે : (i) દ્રાવણમાંથી (ii) ગલન-અવસ્થામાંથી અને (iii) બાષ્પ-અવસ્થામાંથી સ્ફટિકવિકાસ.

(i) દ્રાવણમાંથી સ્ફટિકવિકાસ : (અ) જલીય દ્રાવણમાંથી સ્ફટિક : જલીય દ્રાવણમાંથી કાર્બનિક તથા અકાર્બનિક પદાર્થનું શુદ્ધીકરણ કરીને તેમાંથી નાના તેમજ મોટા કદના સ્ફટિક મેળવવાની પદ્ધતિ સરળ અને કદાચ સૌથી જૂની છે.

(આ) પ્રદ્રાવક(flux)માંથી સ્ફટિક : સ્ફટિકવૃદ્ધિ માટે જલીય દ્રાવણ જ હોવું જોઈએ તેવું જરૂરી નથી. અન્ય પ્રદ્રાવકોમાં ઊંચા તાપમાને દ્રાવ્ય હોય તેવા દ્રવ્યના સ્ફટિક મેળવવા માટે આ રીતનો ઉપયોગ થાય છે.

(ઇ) હાઇડ્રૉથર્મલ પદ્ધતિથી સ્ફટિક : નીચા તાપમાને જે પદાર્થ પાણીમાં ઓછા દ્રાવ્ય હોય પરંતુ પાણીના ક્રાન્તિ-તાપમાને (critical temperature), 374° સે. તાપમાને, જેમની દ્રાવ્યતા નોંધપાત્ર હોય તેવા પદાર્થની સ્ફટિકવૃદ્ધિ હાઇડ્રૉથર્મલ પદ્ધતિ વડે કરવામાં આવે છે. ક્વાર્ટ્ઝ જેવા અતિ મહત્વના સ્ફટિકની વૃદ્ધિ માટે આ રીત જાણીતી છે.

(ઈ) જેલ (gel) માધ્યમ દ્વારા સ્ફટિક : જે દ્રવ્યની પાણીમાં દ્રાવ્યતા અતિ અલ્પ હોય તેમજ ગલનબિંદુ કરતાં નીચા તાપમાને વિઘટન (dissociation) થતું હોય અર્થાત્ ગલન-અવસ્થા કે બાષ્પ-અવસ્થામાંથી જેનું સ્ફટિકીકરણ કરી શકાય નહિ તેવા દ્રવ્યના સ્ફટિક સિલિકા જેલ જેવા માધ્યમની મદદથી સરળતાથી મેળવી શકાય છે.

(ઉ) વીજનિક્ષેપન (electrodeposition) વડે સ્ફટિક : કૉપર, આયર્ન, ટંગસ્ટન, સિલ્વર, નિકલ જેવી ધાતુના સ્ફટિક વીજનિક્ષેપન વડે મેળવી શકાય છે. ઍસિડયુક્ત ક્યુપ્રિક સલ્ફેટ અને આયર્નના ક્લોરાઇડના દ્રાવણનું વીજવિભાજન (electrolysis) કરતાં, કૉપર અને આયર્નના સ્ફટિક મળે છે. વિદ્યુતપ્રવાહની પ્રબળતા તથા તાપમાન, સ્ફટિકની ખાસિયત ઉપર અસર કરે છે.

(ii) ગલન–અવસ્થામાંથી સ્ફટિકવિકાસ : વ્યાપારી ધોરણે તથા સંશોધન માટે મેળવવામાં આવતા મોટા ભાગના સ્ફટિક પદાર્થની ગલન-અવસ્થામાંથી મેળવવામાં આવે છે. જે પદાર્થ વિઘટન પામતાં પહેલાં ગલન પામે છે, બહુરૂપી (polymorphic) રૂપાંતર ધરાવતા નથી અને રાસાયણિક રીતે બહુ સક્રિય હોતા નથી તેમના સ્ફટિક ગલન-અવસ્થામાંથી મેળવવામાં આવે છે.

(અ) ઝોક્રોસ્કી–કાયરોપોરસ સ્ફટિક–ખેંચાણ–પદ્ધતિ : નીચા ગલનબિંદુવાળાં દ્રવ્યો(KCl, NaCl, ધાતુઓ)ના સ્ફટિક મેળવવા માટે શોધાયેલી આ પદ્ધતિનો, ટ્રાન્ઝિસ્ટરની બનાવટમાં વપરાતા જર્મેનિયમ (Ge) અને સિલિકોન(Si)ના સ્ફટિકના વ્યાપારી ધોરણે ઉત્પાદન માટે આજે બહોળો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે.

(આ) બ્રિજમાન–સ્ટૉકબર્ગર–પદ્ધતિ : જેનો સ્ફટિક મેળવવો હોય તે દ્રવ્યને શંકુ આકારની પ્લૅટિનમની ક્રૂસિબલમાં લઈ વીજભઠ્ઠીમાં લટકાવવામાં આવે છે. ભઠ્ઠીના ઉપરના અર્ધ ભાગનું તાપમાન પદાર્થના ગલનબિંદુ કરતાં વધારે અને નીચેના અર્ધ ભાગનું ગલનબિંદુ કરતાં ઓછું રાખવામાં આવે છે. ક્રૂસિબલ ભઠ્ઠીના ઉપરના ભાગમાં હોય ત્યારે તેમાંનું દ્રવ્ય ગલન-અવસ્થામાં મળે છે. હવે તેને નિયંત્રિત દરે ધીમે ધીમે નીચેના ભાગ તરફ ઉતારતાં તેનો જે ભાગ નીચા તાપમાનવાળા વિસ્તારમાં આવે ત્યાં પદાર્થનું ઘનીકરણ થઈ સ્ફટિક મળે છે. (આકૃતિ 2આ). CaF₂, CaSO₄, PbS, PbSe, કેટલીક ધાતુઓ તેમજ અર્ધવાહકના સ્ફટિક મેળવવા માટે આ રીત ઉપયોગી છે.

(ઇ) ઝોન–મેલ્ટિંગ પદ્ધતિ : એક લાંબી હોડકી(boat)માં ભૂકા રૂપે દ્રવ્ય ભરીને તેને ક્વાર્ટ્ઝની નળીમાં રાખવામાં આવે છે. નળીના એક ભાગમાં વિદ્યુતની ગરમી ઉત્પન્ન કરનાર ગૂંચળું (heating coil) રાખવામાં આવે છે. બોટ કે નળીને ધીમેથી સરકાવતાં તેનો જે ભાગ ગૂંચળાની નજીક આવે ત્યાં દ્રવ્ય ગલન પામે છે. ગૂંચળામાંથી બહાર આવતાં દ્રવ્ય ઠંડું પડી ઘનીકરણ પામી એકલ સ્ફટિક રૂપે મળે છે. (આકૃતિ 2ઇ).

(ઈ) વર્નિલ ફ્લેમ ફ્યૂઝન પદ્ધતિ : સિન્થેટિક રૂબી સ્ફટિક મેળવવા માટેની આ પ્રચલિત પદ્ધતિમાં પેડેસ્ટલ પર જ્યોત આપાત કરતાં, તેમાં અંશત: ભરેલા ઍલ્યુમિનાના ભૂકાના રજકણો ગલન-અવસ્થા પ્રાપ્ત કરી હારબંધ ગોઠવાઈ જાય છે. ગલન પામેલા ભૂકાનું નીચેના ભાગમાં ઘનીકરણ થતાં તે સ્ફટિકમાં રૂપાંતર પામે છે. (આકૃતિ 2ઈ). રૂબી ઉપરાંત કેટલાક અર્ધવાહક (transistor) સ્ફટિક પણ આ રીતે મેળવવામાં આવે છે.

(iii) બાષ્પ–અવસ્થા–સ્ફટિકવિકાસ : વાતાવરણના દબાણે જે દ્રવ્યનું ગલન પામતાં પહેલાં વિઘટન થાય અથવા ઊર્ધ્વગમન (sublimation) થાય તથા જેને માટે યોગ્ય દ્રાવક ઉપલબ્ધ ન હોય, તેના સ્ફટિક બાષ્પ-અવસ્થામાંથી મેળવી શકાય છે. બાષ્પની અતિસંતૃપ્ત અવસ્થાનું નિયમન સારી રીતે કરી શકાય છે.

બાષ્પ-અવસ્થામાંથી સ્ફટિકવૃદ્ધિ માટે ઘણી રીતો પ્રચલિત છે. ઊર્ધ્વગમનની રીતમાં ઘનનું (પ્રવાહી દ્વારા) બાષ્પમાં રૂપાંતર થાય છે; પરંતુ પ્રતિવર્તી પ્રક્રિયા(reversible process)માં બાષ્પનું સીધું જ ઘન સ્વરૂપમાં રૂપાંતર થતું હોય છે. શૂન્યાવકાશ આ પ્રક્રિયાને ઘણી વાર મદદરૂપ નીવડે છે. કુદરતમાં મળતા બરફના સ્ફટિક આ રીતે ઉત્પન્ન થતા હોય છે.

સિલિકોન કાર્બાઇડના સ્ફટિક બાષ્પ-અવસ્થામાં રાસાયણિક પ્રક્રિયા વડે મેળવવામાં આવે છે. સિલિકોન ટેટ્રાક્લોરાઇડ અને ટૉલ્યુઇનનું અલગ રીતે નિષ્ક્રિય બાષ્પપ્રવાહમાં બાષ્પીભવન કરી, તેમને ગરમ કરેલા વિભાગમાં લાવતાં તેમની વચ્ચે પ્રક્રિયા થઈ સિલિકોન કાર્બાઇડ અને અન્ય નીપજ મળે છે. નિયંત્રિત દરે ઠંડું પાડતાં, બાષ્પમાંથી સિલિકોન કાર્બાઇડના ઘન સ્ફટિક મળે છે. CdS, SiC, ZnS જેવા પદાર્થ તથા બીજા (II) અને ચોથા (IV) સમૂહના પદાર્થ જેવા કે ZnSe, ZnTe, CdTe વગેરેનું સામાન્ય દબાણે ઊર્ધ્વગમન થતું હોવાથી તેમના સ્ફટિક બાષ્પ-અવસ્થામાંથી ઘન-અવસ્થાના રૂપાંતર દ્વારા મળે છે.

શશીધર ગોપેશ્વર ત્રિવેદી