Дефекты структуры.

Обусловлены изменением расстояний частицы до ближайших соседей, отсутствием атомов в каком-либо узле решетки, смещением атомов из узла в междоузлие, временными местными нарушениями структуры, вызванными видимым, УФ, рентгеновским и -излучением. Все дефекты классифицируются по геометрическому признаку:

• Точечные или 0-мерные дефекты.

То есть нарушения периодичности в изолированных друг от друга точках решетки. Во всех трех измерениях они не превышают одного или нескольких межатомных расстояний (параметров решетки). Точечные дефекты- это вакансии, атомы в междоузлиях, примесные атомы в узлах или междоузлиях.

Рисунок 43. Основные типы точечных дефектов в кристаллической решетке.

А – атом примеси замещения; B – вакансия; C – атом в междоузолии; D – атом примеси внедрения; E – дивакансия.

Рисунок 44. Дефекты по Френкелю (а) и по Шоттки (б).

• Линейные или одномерные дефекты.

То есть протяженные в одном направлении (по линии). Нарушение периодичности в одном направлении простираются на расстояния, сравнимые с размером кристалла, а в других измерениях не превышают нескольких параметров решетки.

• Двумерные или поверхностные дефекты

Простираются в двух измерениях по поверхности на расстояния, сравнимые с размером кристалла, а в третьем - составляют параметров решетки.

• Объемные или трехмерные дефекты.

Это пустоты, поры, частицы другой фазы, включения.

Все эти дефекты рождаются при росте кристаллов или в результате различных воздействий на кристалл и существенно влияют на оптические и другие свойства кристалла.

Центры окраски.

Центрами окраски называются комплексы точечных дефектов, обладающие собственной частотой поглощения света и соответственно изменяющие окраску кристаллов. Возникновение в решетке дефектов приводит к появлению добавочных уровней в запрещенной зоне и соответственно, приводит к появлению, в спектре поглощения кристалла, добавочных полос поглощения света в видимой, УФ или ИК-областях, характерных для кристалла и для данного типа центра окраски. Простейший из центров окраски - это F- центр, состоит из анионной вакансии, которая действует как эффективный положительный заряд, удерживая при себе свободные электроны.

Рисунок 45. Схемы нескольких центров окраски в структуре типа NaCl.

Влияние точечных дефектов на свойства кристаллов.

При возникновении концентрации вакансий плотность материала уменьшается. Диффузия в кристаллах осуществляется так, что диффузирующий атом движется в определенном направлении, перескакивая в вакантные места. Этот же процесс можно рассмотреть как дрейф вакансий в противоположном направлении. Внедренные атомами вакансии деформируют решетку. Примеси оказывают серьезное влияние на оптические, механические и химические свойства. Например, внедрение в кристалл Al₂O₃ окислов хрома Cr₂O₃ превращает беспримесный корунд в лазерный кристалл (рубин Al₂O₃: Cr₂O₃).

В данном случае ионы хрома размещены в узлах решетки вместо Al. При выращивании кристаллов SiO₂ могут содержаться примеси Al ³⁺, H+Na⁺, находящиеся не в узлах, а в междоузлии.

Линейные дефекты.

Линейный дефект - это дислокации.

Рисунок 46. Краевая дислокация.

Линейная дислокация, наличие лишней атомной плоскости (атомного ряда).

Если линейный атомный ряд линейно дислоцированный идет на глубину кристалла, то это будет двумерная или плоская дислокация.

Рисунок 47. Винтовая дислокация.

Причины появления дислокаций.

1. Неравномерный рост на поверхности кристалла в условиях быстрого роста. Для устранения этих причин необходимо исключить колебания температуры, неравномерность движения тигля и нагревателя.

2. Механические напряжения от случайных вибраций теплового расширителя или сжатия кристаллической решетки:

а) из-за неодинакового теплового расширения кристалла и тигля,

б) из-за прилипания материала шихты к стенкам тигля,

в) из-за большой дислокации на затравке,

д) из-за примесей.

К двумерным дефектам, кроме плоских дислокаций, относятся двойники - это комплексы, две части которого соединяются или плоскостью или осью двойникования.

Рисунок 48. Двойникование в кремнии.

Рисунок 49. Структурные схемы бразильского (а) и дофинеийского (б,в) двойников в исходной (1), двойников (3) и пограничной (α-β-фазы в двойниковом шве 2) ориентации атомов.

Кристаллы кварца есть лево- и правовращающие. Если в кристалле, например в кварце, какая-то часть лево вращающая, какая-то правовращающая, то это двойники называются бразильскими и кристалл называется сдвойникованным по бразильскому закону. Бразильские двойники получаются только в процессе роста. На затравке левовращающего кварца выращивают только левовращающий кристалл.

Рисунок 50. Бразилький (а) и дофинейский (б) двойники.

Наряду с бразильскими двойниками, двойниками роста, возможны дофинейские двойники.

Дофинейские двойники отличаются друг от друга тем, что у них положительные напряжения кристаллографических осей прямо-противоположно на 180. Не влияют на показатель преломления, но влияют на пьезооптические контакты в зависимости от ориентации оптического элемента. В отличие от бразильского двойникования, дофинейское двойникование могут образовывать как при росте кристалла, так и при различных видах механической и термической обработки готовых оптических элементов.

Оптическая керамика.

Оптическая керамика-это поликристаллические материалы, получаемые путем горячего прессования в вакууме смеси исходных порошков из соответствующих кристаллических материалов, известных зарубежом под названием иртранов, которые по оптическим характеристикам является аналогами соответствующих кристаллов, а по термомеханическим свойствам значительно их превосходят. В России эти материалы называются оптической керамикой и обозначаются КО.

Физические свойства оптических керамик. Таблица

Хар-ки	Иртран1 КО1	Иртран2 КО2	Иртран3 КО3	Иртран4 КО4	Иртран5 КО5	Иртран6 КО6
Хим. состав	MgF2	ZnS	CaF2	ZnSe	MgO	СdTe
Плотность, гр/см3	3,18	4,098	3,18	5,27	3,58	5,85
Показ. прил. при длине волны 1,0мкм	1,3778	2,2907	1,4289	2,485	1,723	2,802
Длинноволновая граница прозрачности (мкм)	8	14	10,2	19,5	8	29
Микротвердость, ГПа	5.65	3.46	1.96	1.47	6.28	0.44

Средний размер зерен иртранов 0,50,8 мкм, поэтому до 1 мкм эти материалы менее прозрачны (1). Применимы в ИК технике.

Благодаря микроскопической структуре оптическая керамика, в отличие от монокристаллов механически изотропна и более прочна, т.к. в ней нет микротрещин, плоскостей спаянности и пузырей

В силу того, что эти зерна нельзя сориентировать в одном направлении, они хорошо разоорентированы, у них направление решеток все время меняется: нет плоской спаянности, двойного лучепреломления.

Главные качества этих материалов: способность удерживать термоудары при резком изменении температуры.