3. Физические типы кристаллов

Различают четыре типа кристаллов в зависимости от рода частиц в узлах кристаллической решетки.

Ионные кристаллы. В узлах кристаллической решетки расположены ионы противоположного знака. Типичные представители кристаллов данного типа являются каменная соль (NaCl) , MgO и др. В узлах кубической решетки NaCl чередуются положительные ионы натрия (Na+) и отрицательные ионы хлора (Cl−). Между разноименно заряженными ионами существует ионная (гетерополярная) связь, обусловленная их электростатическим взаимодействием. Если в газообразном состоянии NaCl состоит из отдельных молекул, то в кристаллическом весь объем представляет собой как бы одну молекулу (рис. 4.3).

Рис. 4.3.

Атомные кристаллы. В узлах решетки расположены нейтральные атомы, которые связывает между собой гомеополярная (ковалентная) связь квантово-механического происхождения. Эта связь объясняется взаимодействием пар электронов, которые обобществлены парами соседних атомов. Например, C₂H₄ (рис. 4.4). Типичными представителями данного класса являются алмаз и графит, а также полупроводниковые материалы германий (Ge) и кремний (Si).

Рис. 4.4.

Металлические кристаллы. В узлах решетки – положительные ионы металла, между которыми хаотически движутся свободные электроны, образующие довольно однородное распределение отрицательного заряда в решетке. Между одноименно заряженными ионами существуют силы электростатического отталкивания, которые нейтрализуются зарядами свободных электронов. В результате ионы металла оказываются на расстояниях друг от друга, соответствующих условию равновесия, и кристаллическая решетка становится стабильной (устойчивой) (рис. 4.5).

Рис. 4.5.

Молекулярные кристаллы. В узлах решетки – нейтральные молекулы. Силы связи обусловлены ван-дер-ваальсовским взаимодействием, которое является слабым и имеет место между близко расположенными нейтральными атомами и молекулами, проявляется при отсутствии других, более сильных, видов взаимодействия. К молекулярным кристаллам относятся много веществ, например, кристаллы инертных газов (Ne, Ar, Kr, Xe), Н₂, N₂, O₂, F₂, CO₂, H₂O в твердом состоянии (рис.4.6).

Рис. 4.6. Молекулярный кристалл аргона.

4.3. Дефекты кристаллического строения

При росте кристаллов, как в природных, так и в искусственно созданных условиях никогда не образуется идеальная кристаллическая решетка в силу влияния реальных внешних условий и различных внутренних факторов. Нарушается периодичность расположения ее элементов. В исходном материале могут оказаться примеси, которые внесут свои искажения и т.д. Решетка уже выращенного кристалла страдает в результате приложения внешних механических нагрузок и других воздействий.

Все дефекты в зависимости от их геометрии можно разделить на три группы: точечные, линейные, поверхностные и объемные.

Точечные дефекты – это локальные нарушения решетки в изолированных друг от друга точках пространства. К ним относятся вакансии (рис. 4.7, а), междоузельные атомы (рис. 4.7, б), примеси атомов внедрения и замещения (рис. 4.7, в). Сюда же можно отнести и комплексы примесных атомов различных сортов, лишь бы не нарушалось общепринятое требование к размерам точечного дефекта – не более нескольких межатомных расстояний в любом направлении (рис. 4.7).

Рис. 4.7. Точечные дефекты кристаллов: вакансия (а); межузельный атом (б); атом замещения (в).

Линейные дефекты:

Основными линейными дефектами являются дислокации. Дислокации – это дефекты кристаллического строения, которые являются линиями, вдоль и вблизи которых нарушенное характерное для кристалла правильное расположение атомных плоскостей.

Простые виды дислокаций – краевые и винтовые.

Краевая дислокация является линией, вдоль которой обрывается внутри кристалла край “лишней“ полуплоскости (рис. 4.8)

а) б)

Рис. 4.8. Краевая дислокация (а) и механизм ее образования (б)

Неполная плоскость называется экстраплоскостью.

Большинство дислокаций образуются путем механизма сдвига. Ее создание можно описать посредством следующей операции. Надрезать кристалл по плоскости АВСD, сдвинуть нижнюю часть относительно верхних на один период в направлении, перпендикулярном АВ, а затем снова сблизить атомы на краях разреза внизу.

Наибольшие искажения в расположении атомов в кристалле имеют место вблизи нижнего края екстраплоскости. Вправо и влево от края экстраплоскости эти искажения малы (несколько периодов решетки), а вдоль края экстраплоскости искажения тянутся через весь кристалл и могут быть очень большие (тысячи периодов решетки) (рис. 4.8).

Другой тип дислокаций был описан Бюргерсом, и получил название винтовая дислокация.

Винтовая дислокация получена посредством частичного сдвига по плоскости Q вокруг линии EF (рис. 4.9).

Рис. 4.9. Механизм образования винтовой дислокации

На поверхности кристалла образуется ступенька, которая проходит от точки Е к краю кристалла. Такой частичный сдвиг нарушает параллельность атомных слоев, кристалл превращается в одну атомную плоскость, закрученную по винту в виде полого геликоида вокруг линии EF, которая представляет границу, что отделяет часть плоскости скольжения, где сдвиг уже произошел, от части, где сдвиг не начинался. Вдоль линии EF наблюдается макроскопический характер области несовершенства, в других направлениях ее размеры составляют несколько периодов.

Если переход от верхних горизонтов к нижним осуществляется поворотом по часовой стрелке, то дислокация правая, а если поворотом против часовой стрелки – левая.

Если в кристалле дислокации отсутствуют или их количество мало, то пластическая деформация затруднена, и прочность кристаллов велика. Наличие дислокаций в кристалле облегчает пластическую деформацию, которая осуществляется путем скольжения дислокаций. Однако, если дислокаций очень много, то при скольжении они мешают друг другу, и пластическая деформация затрудняется. Поэтому существует два способа упрочнения кристаллов:

1) получение бездефектных кристаллов. В настоящее время созданы кристаллы без дефектов – нитевидные кристаллы длиной до 2 мм, толщиной 0,5…20 мкм – “усы“ с прочностью, близкой к теоретической: для железа = 13000 МПа, для меди =30000 МПа.

2) увеличение количества дислокаций путем внешней обработки (прокатка, закалка и т. п).

Дислокации влияют не только на прочность и пластичность, но и на другие свойства кристаллов. С увеличением плотности дислокаций растет внутреннее трение, изменяются оптические свойства, повышается электросопротивление металла. Дислокации увеличивают среднюю скорость диффузии в кристалле, убыстряют старение и другие процессы. Дислокации уменьшают химическую стойкость, поэтому в результате обработки поверхности кристалла специальными веществами в местах выхода дислокаций образуются ямки.

Образуются дислокации при пластической деформации, в процессе кристаллизации, при термической обработке.

Поверхностные, или двумерные, дефекты относятся уже к разряду макроскопических - это границы раздела и дефекты упаковки. Границы раздела являются переходной областью шириной до нескольких десятков межатомных расстояний. В этой области решетка одного зерна, которое имеет определенную ориентацию кристаллографии, переходит в решетку другого зерна, которое имеет другую ориентацию кристаллографии (рис. 4.10). Поэтому на грани зерна наблюдается искаженное кристаллическое строение. Кроме того, по границам зерен в технических металлах скапливаются примеси, что еще больше нарушает правильный порядок расположения атомов.

Рис. 4.10. Схема строения поликристалла.

Трехмерные или объемные дефекты – это трещины, дендриты, включения других кристаллов, газов, жидкостей и т.д., а также пустоты. Объемные дефекты – это макродефекты, которые являются изолированными в кристалле участками объема, которые существенно превышают объем элементарной ячейки кристалла.

Дендриты - это древовидные кристаллические образования, которые оказываются в монокристаллах и слитках металлов, полуметаллов, полупроводников и их сплавов (рис 4.11). Максимальная скорость роста кристаллов наблюдается по таким плоскостям и направлениям, которые имеют наибольшую плотность упаковки атомов. В результате растут длинные ветви, которые называют осями первого порядка. На осях первого порядка появляются и начинают расти ветви второго порядка, от которых ответвляются оси третьего порядка. В последнюю очередь идет кристаллизация в участках между осями дендрита.

Рис. 4.11. Схема строения дендрита: 1, 2, 3 - оси первого, второго и третьего порядка.