Лекция 2

2. Дефекты в кристаллах

2.1. Классификация дефектов

Любое отклонение от периодической структуры кристалла называется дефектом.

Дефекты классифицируют по геометрическим признакам (по числу измерений, в которых нарушения структуры кристалла простираются на расстояния, превышающие характерный параметр решётки):

1. Точечные дефекты - нарушения структуры локализованы в отдельных точках кристалла. Размеры дефектов не превышают нескольких межатомных расстояний. К точечным дефектам относят вакансии (вакантные узлы кристаллической решётки), атомы в междоузлиях, атомы примесей в узлах и междоузлиях, сочетание примесь-вакансия, примесь-примесь, двойные и тройные вакансии и т.п.

2. Линейные (одномерные) дефекты характеризуются тем, что нарушения периодичности происходят в одном измерении на расстояниях, много больших параметра решётки, тогда как в двух других измерениях они не превышают нескольких параметров. Линейными дефектами являются дислокации и микротрещины.

3. Поверхностные (двухмерные) дефекты в двух измерениях имеют размеры, во много раз превышающие параметр решётки, а в третьем - несколько параметров. Это границы зёрен, дефекты упаковки, межфазные границы, стенки доменов, поверхность кристалла.

4. Объёмные (трёхмерные) дефекты - это микропустоты и включение другой фазы. Возникают при выращивании кристаллов или в результате воздействия на кристалл, в результате наличия примесей и т.д.

Дислокации возникают в результате пластической деформации кристалла в процессе роста или при последующих обработках.

Точечные дефекты могут возникнуть в результате нагревания (тепловые дефекты), облучения быстрыми частицами (радиационные дефекты), отклонения состава химических соединений от стехиометрии (стехиометрические дефекты), пластические деформации.

2.1. Тепловые точечные дефекты

Над поверхностью твёрдого тела всегда присутствует пар, состоящий из атомов данного вещества. Атомы, образующие поверхностный слой кристалла, могут вследствие нагревания приобретать кинетическую энергию, достаточную для того, чтобы оторваться от поверхности и перейти в окружающее пространство. Такой отрыв может иметь место не только для поверхностных атомов, но и для атомов внутри кристалла. Перемещаясь по кристаллу и передавая энергию остальным атомам, атом с большей энергией занимает новое равновесное положение.

Если все ближайшие узлы решётки заняты, то он может разместиться только в междоузлии. Оставшийся пустым узел решётки получил название вакансии. Точечные дефекты в виде совокупности атомов в междоузлиях и вакансий называются дефектами по Френкелю (рис.2.1).

Парные дефекты Френкеля возникают легче в кристаллах, содержащих большие межатомные промежутки, чем в плотноупакованных (в них для междоузельных атомов нет места) . Такие дефекты характерны для полупроводников.

Дефекты по Шотки обычно встречаются в кристаллах с плотной упаковкой атомов, где образование междоузельных атомов затруднено и энергетически невыгодно. Процесс образования дефектов в таком кристалле происходит следующим образом. Некоторые атомы из приповерхностного слоя в результате теплового движения могут оказаться в состоянии частичной диссоциации, т.е. они могут выйти из кристалла на поверхность. Образовавшаяся вакансия мигрирует затем в объём кристалла (рис.2.2). Образование дефектов по Шотки уменьшает плотность кристалла из-за увеличения его объёма при постоянной массе. При образовании дефектов по Френкелю плотность остаётся неизменной, т.к. объём кристалла не изменяется.

Образование точечных дефектов требует значительных затрат энергии. Эта энергия находится в прямой зависимости от прочности химических связей и пропорциональна энергии связи в кристалле. Так, чтобы создать вакансию в кристалле германия или кремния, надо разорвать четыре ковалентные связи. Для этого нужна энергия 3,2·10^-19 Дж (2 эВ) - для германия, и 3,7·10^-19 Дж (2,3 эВ) для кремния, однако, при высоких температурах существование дефектов является энергетически выгодным ,т.к. введение дефектов не только увеличивает внутреннюю энергию кристалла, но и увеличивает его энтропию.

В общем случае кристалл содержит и дефекты по Френкелю и дефекты по Шотки.