Дефекты кристаллов.

Строение реальных кристаллов отличается от идеальных. В реальных кристаллах всегда содержатся дефекты, а потому нет идеально правильного расположения атомов во всём объёме кристалла.

Дефекты кристаллов подразделяют:

точечные;

линейные;

поверхностные;

Точечные дефекты. К ним относятся: вакансии, межузельные атомы основного вещества, чужеродные атомы внедрения.

Вакансия — свободный, незанятый атомом, узел кристаллической решетки.

Собственный межузельный атом — атом основного элемента, находящийся в междоузельном положении элементарной ячейки.

Примесный атом замещения — замена атома одного типа, атомом другого типа в узле кристаллической решетки. В позициях замещения могут находиться атомы, которые по своим размерам и электронным свойствам относительно слабо отличаются от атомов основы.

Примесный атом внедрения — атом примеси располагается в междоузлии кристаллической решетки. В металлах примесями внедрения обычно являются водород, углерод, азот и кислород. В полупроводниках — это примеси, создающие глубокие энергетические уровни в запрещенной зоне, например, медь и золото в кремнии.

Линейные дефекты – краевые и винтовые дислокации. Краевая дислокация в сечении представляет собой край «лишней» полуплоскости в решётке. Вокруг дислокаций решётка упруго искажена. Мерой искажения служит так называемый вектор Бюргерса. У краевой дислокации вектор Бюргерса равен межатомному расстоянию и перпендикулярен дислокационной линии, у винтовой дислокации – параллелен ей.

Плотность дислокаций – суммарная длина всех линий дислокаций в единице объёма. В полупроводниковых кристаллах она равна 10⁴ – 10⁵ см^-2, у отожженных металлов 10⁶ – 10⁸ см^-2, у деформированных она достигает свыше 10¹¹ – 10¹² см^-2. Попытка увеличить плотность свыше 10¹² см^-2 быстро приводит к появлению трещин и разрушению металла.

Дислокации появляются при кристаллизации. Они наряду с другими дефектами участвуют: в фазовых превращениях, рекристаллизации, служат готовыми центрами при выпадении второй фазы из твёрдого раствора. Вдоль дислокации скорость диффузии на несколько порядков выше, чем через кристаллическую решётку без дефектов. Дислокации служат местом концентрации примесных атомов, в особенности примесей внедрения, так как это уменьшает искажение решётки. Примесные атомы образуют вокруг дислокации зону повышенной концентрации – так называемую атмосферы Коттрелла, которая мешает движению дислокаций и упрочняют металл.

Особенно велико влияние дислокаций на прочность кристаллов. Благодаря подвижным дислокациям экспериментально определённый предел текучести металлов в 1000 раз меньше теоретического значения. При значительном увеличении плотности дислокаций и уменьшении их подвижности прочность увеличивается в несколько раз по сравнению с отожжённым состоянием. Прочность бездефектных кристаллов «усы» приближается к теоретической прочности.

В полупроводниках дислокации влияют на электрические и другие свойства, снижают электрическое сопротивление, уменьшают время жизни носителей. Значение дислокаций особенно возрастает в микроэлектронике, где применяются тонкие плёночные кристаллы, и дислокации играют роль тонких проводящих каналов, вдоль которых легко перемещаются атомы примеси.

Поверхностные дефекты. Наиболее важными поверхностными дефектами являются большеугловые и малоугловые границы, дефекты упаковки, границы двойников. Поликристаллический сплав содержит огромное число мелких зёрен. В соседних зёрнах решётки ориентированны различно и граница между зёрнами представляет переходный слой. В нём нарушена правильность расположения атомов, имеются скопления дислокаций, повышена концентрация примесей.

Границы между зёрнами называются большеугловыми, так как соответственные кристаллографические направления в соседних зёрнах образуют углы в десятки градусов. Каждое зерно, в свою очередь, состоит из субзёрен и блоков.

Субзерно представляет собой часть кристалла относительно правильного строения. Границы субзёрн представляют собой стенки дислокаций, которые разделяют зерно на отдельные субзёрна и блоки. Угол взаимной разориентации между соседними субзёрнами невелик (не более 5^о), поэтому такие границы называются малоугловыми. На малоугловых границах также скапливаются примеси.

Дефект упаковки представляет собой часть атомной плоскости, ограниченную дислокациями, в пределах которой нарушен нормальный порядок чередования атомных слоёв.

Объёмные дефекты. К ним относятся скопления вакансий, образующие поры и каналы; частицы, оседающие на различных дефектах (декорирующие), например пузырьки газов, пузырьки маточного раствора; скопления примесей в виде секторов (песочных часов) и зон роста. Как правило, это поры или включения примесных фаз. Представляют собой конгломерат из многих дефектов. Происхождение — нарушение режимов роста кристалла, распад пересыщенного твердого раствора, загрязнение образцов. В некоторых случаях (например, при дисперсионном твердении) объемные дефекты специально вводят в материал, для модификации его физических свойств.

3

Под сплавом подразумевается вещество, полученное сплавлением двух или более элементов.

Возможны и другие способы приготовления сплавов — спекание, электролиз, возгонка (в этом случае вещества иногда называют псевдосплавами), но наиболее распространенным является производство сплавов путем сплавления разных веществ. Сплав, приготовленный преимущественно из металлических элементов и обладающий металлическими свойствами: называется металлическим сплавом.

Естественно, что строение металлического сплава более сложное, чем чистого металла, и зависит главным образом от того, в какие взаимодействия вступают компоненты, составляющие сплав. При затвердевании сплавов образуются: Механическая смесь, твердый раствор и химическое соединение.