§3.6. Неравновесные дефекты.

В предыдущем параграфе речь шла о равновесных дефектах. Но, говоря о реальных кристаллах, мы имеем дело с неравновесными дефектами.

Неравновесные дефекты – это дефекты, которые возникают из-за внешних воздействий на кристалл и имеют избыточную суммарную концентрацию.

Среди неравновесных дефектов различают радиационные дефекты, возникающие при облучении кристалла ускоренными частицами.

В неравновесных дефектах существует избыточный запас свободной энергии, то есть не соблюдается условие минимума свободной энергии.

Рассмотрим три основных вида возникновения неравновесных дефектов.

1. Неупругие взаимодействия быстрых частиц с атомами.

Часть кинетической энергии быстрой частицы тратится на возбуждение электронных оболочек атомов, то есть кинетическая энергия быстрых частиц переходит в энергию электронов. Наблюдаются пороговые механизмы образования дефектов, то есть дефект образуется при смещении атома в междоузлие под действием квантов света.

2. Ядерные превращения.

Кристалл облучается медленными нейтронами, которые взаимодействуют с атомами, происходит ядерная реакция, то есть изменяется природа атома.

При ядерных превращениях образуются примесные дефекты.

3. Упругие взаимодействия быстрых частиц с ядрами атомов.

Такие взаимодействия имеют наибольшее значение. Часть энергии быстрой частицы передается атому кристалла, который выбивается из своей позиции.

Возникают дефекты по Френкелю. При этом выполняется закон сохранения импульса и закон сохранения кинетической энергии.

Наименьшее значение энергии, которую нужно сообщить одному атому для перевода его в ближайшее междоузельное положение, называется пороговой энергией смещения . Пороговая энергия смещения всегда меньше энергии образования равновесного дефекта . Например для твердого тела 25эВ, а 1эВ.

Рассмотрим процесс перехода атома из регулярного положения в междоузлие (рис.1). Так как этот процесс происходит неадиабатически, то есть бесконечно медленно, то часть атомов преодолеет барьер с выделением избытка энергии . Это определяется различием между начальным и конечным уровнем энергии (в регулярном узле реализован минимум свободной энергии, которая будет соответственно меньше, чем энергия в междоузлии). То есть энергия - это энергия, которая затрачивается в процессе перехода. Отметим, что при адиабатическом процессе выделение энергии не происходит, а для преодоления барьера требуется энергия порогового смещения .

Замечания:

1)Если энергия налетающей частицы больше энергии порогового смещения, то возникнет Френкелевский дефект.

2)Если энергия налетающей частицы намного больше энергии порогового смещения, то возникнет Френкелевская пара, то есть выбитый из устойчивого положения атом, который сам становится быстрой частицей и начинает выбивать другие атомы. При этом возникает каскад смещений и образуется область с повышенной дефектностью (пик смещения). Так как энергия налетающих частиц очень большая, то и температура в пиках смещения будет очень высокой. Высокая температура может привести к изменению кристаллической решетки, то есть изменению характера связей в решетке. Размеры области дефектности зависят от энергии, массы и природы налетающей частицы, от температуры кристалла и от природы самого кристалла.

3)Среднее число смещенных атомов одним первичным в случае упругого взаимодействия можно вычислить, используя теорию Кинчина – Пиза:

(3.28)

n – число смещенных атомов;

- энергия смещенных атомов.

Формула (3.28) справедлива при > .

4)Свойства облученного кристалла сильно зависят от числа и распределения дефектов в объеме решетки. После процесса перераспределения дефектов кристалл находится в метастабильном, то есть неравновесном, состоянии и обладает повышенным запасом свободной энергии.