3.4. Влияние точечных дефектов на физические свойства твердых тел

Точечные дефекты могут оказывать существенное влияние на электрические, оптические, магнитные, механические и другие свойства кристаллов, несмотря на относительно малую концентрацию в твердом теле.

Например, вакансия в кристалле кремния представляет собой четыре оборванные связи, способные захватить электроны из валентной зоны. Энергия ионизации такого акцепторного уровня намного меньше энергии. требуемой на чистый разрыв валентной связи. В ионных кристаллах вакансии захватывают электроны и образуют “центры окраски” (F-центры), придающие прозрачному кристаллу NaCl синий цвет.

Междоузельный собственный атом в дефекте Френкеля или атом примеси находится в кристалле с диэлектрической проницаемостью  = 12 (Si) или  = 16 (Ge). Поляризация кристалла ослабляет связь валентных электронов с ядром атома в  раз, и электроны легко отрываются, переходя в зону проводимости. То есть, междоузельные атомы характеризуются донорными свойствами. Однако, некоторые междоузельные примеси могут захватывать электроны, что определяется строением их электронных оболочек.

Поведение таких точечных дефектов как примеси замещения (примесь на месте узла кристаллической решетки или вакансии) зависит от строения их электронных оболочек и соотношения валентностей примеси и атомов кристаллической решетки. Например, в кристалле кремния примеси элементов V группы таблицы Менделеева отдают четыре электрона на образование валентных связей с Si, а оставшийся пятый электрон легко ионизуетя, переходя в зону проводимости. Это донорные примеси (рис. 3.6). Примеси элементов III группы имеют только три валентных электрона и могут захватить на свою электронную оболочку один электрон из решетки кремния для образования четырех валентных связей. Такие примеси являются акцепторами (рис. 3.7).

Рис. 3.6. Донорные примеси в Si (P, As и др)

Рис. 3.7. Акцепторные примеси в Si (B, Al, In и др)

Рассмотренное поведение точечных дефектов делает очевидным их влияние на оптические свойства кристаллов, так как появление дополнительных энергетических уровней меняет цвет кристалла. Именно примесями и дефектами обусловлено многообразие цветов природных и синтетических кристаллов и стекол.

Влияние точечных дефектов на механические свойства твердых тел – упругость и пластичность – будет рассмотрено в следующих разделах в связи с анализом поведения дислокаций.

3.5. Дислокации

При изучении упругих свойств изотропных однородных сред вначале ХХ века возникло представление о дислокациях. В 30-х годах Д. Тейлор перенес это понятие на кристаллы, в которых части вещества смещаются под действием сдвиговых напряжений кратно межатомным расстояниям.

Рассмотрим возникновение, характеристики и поведение дислокаций на двух простейших типах – краевой и винтовой. Чтобы понять образование краевой дислокации, представим кубический кристалл, нижняя часть которого закреплена, на верхнюю параллельно основанию действует сдвиговое напряжение. Под действием сдвига верхняя часть кристалла может сместиться на одно (или более) межатомное расстояние по отношению к основанию и образовать в кристалле лишнюю полуплоскость. Линия этой лишней полуплоскости, перпендикулярная вектору сдвига, называется краевой дислокацией (рис. 3.8) и отделяет деформированную часть кристалла от недеформированной. В другом случае винтовой дислокации вектор сдвига параллелен линии дислокации (рис. 3.9).

Рис. 3.8. Краевая дислокация

Рис. 3.9. Винтовая дислокация

В кристаллических решетках с более сложной структурой, чем кубическая могут образовываться более сложные виды дислокаций. Например, в ГЦК алмазоподобных решетках (Si, A³B⁵) возможно возникновение смешанных типов дислокаций, у которых линия дислокации проходит под углом к вектору сдвига (60-дислокации).

Для характеристики дислокаций служит кристаллографическое направление линии дислокации , величина и направление вектора Бюргерса , характеризующие степень и направление сдвига и плотность дислокаций n_d, так как дислокации не обрываются в кристалле, а достигают поверхности или замыкаются.

Плотность дислокаций (n_d) равна числу выходов дислокаций на 1 см² (1м²) поверхности и характеризует совершенство кристалла. В полупроводниках n_d  10²  10³ см^–2; в металлах n_d  10⁸  10¹⁰ см^–2 за счет более высокой пластичности металлов.