Оптический флюорит - [3]
Если изобразить ионы кальция и фтора разноцветными шариками, то элементарная ячейка флюорита будет выглядеть так, как показано на рис. 4, а. На первый взгляд кажется, что в ней слишком много ионов кальция. Но нужно учесть, что каждый ион кальция в вершинах ячейки принадлежит восьми ячейкам, а располагающийся на грани — двум ячейкам. Так что «собственных» ионов кальция здесь всего (1 : 8∙8+1 : 2∙6), ионов фтора — восемь, а число формульных единиц CaF>2 в ячейке z — четыре. Если шарики, изображающие ионы, «раздуть» до их истинных размеров, характеризуемых эффективными радиусами (Са>2+ = 1,04 Å, F>- = l,33 Å), то получим более близкую к реальной, хотя и менее наглядную модель структуры флюорита (см. рис. 4, б). Структуру флюорита можно изобразить также в виде анионных полиэдров — Ca-кубов или катионных F-тетраэдров. Размер ребра элементарной ячейки α>0 = 5,46295±0,00010 Å.
Рассмотренная схема кристаллической структуры флюорита является идеальной. Реальная структура несколько сложнее, и это связано прежде всего с тем, что во флюорит, кроме кальция и фтора, в тех или иных количествах входят атомы некоторых других элементов. Ионы F>- могут частично замещаться кислородом О>2-, но основные вариации химического состава связаны с изоморфными замещениями Са>2+ на Ag>+, Cd>2+, Ge>2+, Cu>+, Hg>2+, In>3+, Mn>2+, Sn>2+, Sr>2+, Sb>3+, Tl>3+, Pb>4+, Th>4+, U>4+ и особенно на двух- и трехвалентные ионы редкоземельных элементов — TR>2+(Sm>2+, Eu>2+, Yb>2+ и др.) и TR>3+(Y>3+, Се>3+, La>3+, Lu>3+ и др). Элементы-примеси присутствуют во флюорите обычно в незначительных количествах, однако содержание редких земель иногда может достигать десятков процентов. Максимально возможное содержание TRF>3 во флюорите, не разрушающее его структуру, 50%. Механизм замещения двухвалентного кальция трехвалентным иттрием или другими редкими землями довольно своеобразный. Ионные радиусы этих элементов близки друг другу (Y>3+ = 0,97 Å, Са>2+ = 1,04 Å), и при вхождении YF>3 в структуру CaF>2 иттрий занимает места ионов кальция. При этом две трети ионов фтора заполняют все тетраэдрические позиции, которые им и положено занимать, а одна треть их входит в октаэдрические пустоты между катионами кальция, бывшие в CaF>2 незаполненными. В результате такого изоморфизма «с заполнением пространства» плотность и показатель преломления иттрофлюорита по сравнению с флюоритом повышаются, увеличивается параметр элементарной ячейки до α>0 = 5,50 Å. При замещении кальция трехвалентными ионами редкоземельных элементов происходит компенсация избыточного заряда эквивалентными количествами ионов О>2-, Na>+ и других элементов по схемам
Ca>2+ + F>- → TR>3+ + O>2-,
2Ca>2+ → TR>3+ + Na>+ и т. п.
Вхождение изоморфных примесей во флюорит изменяет многие его структурно-чувствительные физические свойства.
Большое влияние на свойства флюорита оказывают структурные дефекты. Структура кристаллов флюорита, как и вообще любых других кристаллов, всегда содержит множество локальных нарушений (точечных, линейных, плоскостных, объемных), возникающих в процессе кристаллизации в результате «ошибок» при встраивании в кристалл кристаллообразующих частиц, вхождении чужеродных примесных элементов, захвате включений и т. п.
Для кристаллов флюорита характерны все типы точечных дефектов. К простейшим точечным дефектам относятся вакансии, образующиеся в результате того, что в узлах решетки отсутствуют ионы кальция (такие дефекты называются дефектами Шоттки). Другой тип точечных дефектов (дефекты Френкеля) образуется, когда атом (ион) из узла решетки перемещается в междоузлие. Вызываемые ими нарушения в решетке строго локализованы — размеры их сравнимы с межатомными расстояниями. К точечным дефектам также относятся комплексы из небольшого числа простейших дефектов, если размеры нарушений не превышают нескольких межатомных расстояний. Такие комплексы иногда называют кластерами.
Точечные дефекты, располагаясь в целом хаотически, способны к упорядоченному расположению вдоль определенных кристаллографических направлений. Вследствие этого возникает анизотропия, особенно выраженная, если дефекты создаются примесями, например оптическая анизотропия в кубических кристаллах, в том числе в кристаллах флюорита.
Миграция дефектов по кристаллу, усиливающаяся с повышением температуры, приводит к их дальнейшему объединению и образованию более крупных, макроскопических, областей нарушений, влияющих на первичные свойства кристалла. Структурные дефекты могут быть причиной явлений, не характерных для идеального кристалла флюорита, — окраски, интенсивной люминесценции и др. В то же время, зная природу этих свойств, можно целенаправленно изменять их, вводя в структуру дефекты нужного «сорта». На этом основано, например, использование кристаллов фтористого кальция, легированных Sm>2+, Dy>2+, Nd>3+, Er>3+ в лазерной технике, а также в мазерах.
Основными линейными дефектами являются дислокации, образующиеся в результате сдвига атомных слоев друг относительно друга на одно межатомное расстояние. Дислокации могут быть краевыми, представляющими собой край «оборванной» в результате сдвига атомной плоскости, и винтовыми (фото 1, см. вкл.), в которых линия, последовательно соединяющая атомы один за другим, является винтовой. Вблизи дислокации кристалл сильно деформирован, причем если ширина деформированной зоны соответствует размерам точечного дефекта, то длина ее может достигать миллионов межатомных расстояний — дислокация как бы пронизывает кристалл насквозь. Плотность дислокаций, определяемая как число дислокационных линий, пересекающих площадку в 1 см
