Глава 2. Дефекты кристаллической решетки
1. Классификация дефектов
Реальные кристаллы отличаются от идеализированной модели наличием достаточно многочисленных нарушений регулярного расположения атомов, которые называют дефектами кристаллической решетки. Могут быть отклонения в положении электронов от уровня с минимальной энергией.
В некоторых кристаллах концентрация несовершенств может быть очень малой (< 1%), например, в кристаллах высокочистого алмаза или кварца. В других случаях концентрация несовершенств может быть настолько большой (> 1 %), что их следует рассматривать в качестве полноправного элемента кристаллической структуры, а не случайных нарушений.
Рис.
2.3. Изменение энергии при образовании
дефектов в совершенном кристалле
Процесс образования дефекта требует определенной затраты энергии Н, но вызывает увеличение энтропии кристалла S. Значительное суммарное увеличение энтропии приводит к тому, что несмотря на положительное изменение энтальпии, при образовании дефектов свободная энергия кристалла уменьшается: G = Н – Т . S.
Дефекты структуры оказывают существенное, порой определяющее влияние на свойства твердых тел. Такими структурно-чувствительными, т.е. зависящими от дефектов структуры, свойствами являются электропроводность, фотопроводимость, люминесценция, прочность, пластичность, окраска кристаллов и др. Кроме того, дефекты имеют часто решающее значение в таких процессах, как рост кристаллов, массоперенос в твердых телах, определяющий твердофазовые реакции, спекание, рекристаллизация.
Классификацию дефектов обычно осуществляют по чисто геометрическим признакам. По этим параметрам различают четыре класса дефектов:
Точечные (нульмерные) дефекты, при которых нарушения структуры локализованы в отдельных точках кристалла. Размеры указанных дефектов во всех трех измерениях не превышают одного или нескольких межатомных расстояний. К атомным относятся вакансии (вакантные узлы кристаллической решетки), атомы в междуузлиях, включая дефекты нестехиометрии, а также сочетания примесь-вакансия, примесь-примесь, двойные и тройные вакансии.
Точечные дефекты могут различаться и по факторам, влияющим на их образование. Так, существуют тепловые дефекты, возникающие вследствие нагревания, радиационные, образующиеся при облучении быстрыми частицами, стехиометрические дефекты, появляющиеся при отклонении состава химических соединений от стехиометрии, дефекты пластической деформации.
К электронным дефектам, являющимся также точечными, принадлежат избыточные электроны, дырки и экситоны.
Линейные (одномерные) дефекты характеризуются тем, что нарушения периодичности простираются в одном измерении на расстояния много большие параметра решетки. Линейными дефектами являются дислокации винтовые и краевые.
Поверхностные (двухмерные) дефекты – это границы зерен и двойников, дефекты упаковки, мозаичная структура кристаллов, границы доменов, поверхность кристалла.
Объемные (трехмерные) дефекты – это микропустоты и включения другой фазы.
Могут различаться также планарные дефекты, которые представляют собой целые дефектные слои кристаллической решетки.