13. Дефекты поверхностной структуры.

Поверхностные, или двумерные, дефекты относятся уже к разряду макроскопических - это границы раздела и дефекты упаковки. То есть это область кристалла с сильно нарушенным периодическим расположением атомов имеющих форму некоторой поверхности, толщина этой области в направлении нормали к поверхности составляет 1-2 межплоскостных расстояния.

Поверхность кристалла является самым очевидным примером поверхностного дефекта. Известно, что вблизи поверхности кристалла нарушается периодическое расположение атомов. Из-за этого поверхностный слой находится в напряженном состоянии и обладает некоторой поверхностной энергией, подобно тому как и поверхность жидкости обладает энергией поверхностного натяжения. Стремление кристалла как любой системы иметь минимум энергии приводит к минимальной поверхности кристалла.

Границы раздела представляют собой переходную область шириной до нескольких десятков межатомных расстояний, в которой решетка одного зерна, имеющего определенную кристаллографическую ориентацию, переходит в решетку другого зерна, имеющего иную кристаллографическую. Поэтому на границе зерна наблюдается искаженное кристаллическое строение и более высокое энергетическое состояние. Кроме того, по границам зерен скапливаются примеси, что еще больше нарушает правильный порядок расположения атомов. Границы между зернами называют большеугловыми, так как кристаллографические направления в соседних зернах образуют углы, достигающие нескольких десятков градусов.

Так же поверхностные дефекты встречаются и внутри кристалла. Это связано с тем, что большинство реальных кристаллов формируются одновременно из нескольких центров кристаллизации и поэтому состоят из зерен с близкой ориентацией кристаллических решеток. На границе раздела этих зерен неизбежно нарушается периодическое расположение атомов. Если рассмотреть зерно при большом увеличении, то окажется, что внутри него имеются участки с размерами 0,1-1 мкм (их называют субзернами), разориентированные друг относительно друга на угол 15-30 град (малоугловые границы) Такая структура называется блочной или мозаичной.

Границы зерен кристалла с нарушенной кристаллической решеткой находятся обычно в напряженном состоянии. Поэтому именно вблизи границ зерен кристалла под действием внешних, дополнительных механических напряжений и происходит чаще всего разлом кристалла.

Вдоль границ зерен быстрее проходит диффузия атомов (так называемая межзеренная диффузия), и, в частности, атомов газов, способных вызывать нежелательные химические реакции с атомами кристалла. Из-за этого ухудшается коррозионная стойкость изделий из кристаллических веществ. Продукты этих реакций (например оксиды, нитриды и др.) будут дополнительно искажать кристаллическую решетку вблизи границ зерен, из-за чего неизбежно повысится вероятность разлома кристалла вдоль границ его зерен и в целом его хрупкость.

Границы зерен, как и другие дефекты, оказывают влияние на теплопроводность и электросопротивление, поскольку на них происходит дополнительное рассеяние переносящих энергию фононов и переносящих энергию и заряд электронов. Особенно сильное влияние поверхностных дефектов на теплопроводность и электросопротивление наблюдается при низких температурах, когда длины свободного пробега фононов и электронов оказываются сопоставимыми с размерами кристаллических зерен.

Дефекты образуются в процессе роста кристаллов, при последующей их обработке или в результате внешних воздействий. Однако поверхностные дефекты образуются только при кристаллизации и термообработке.

Термообработка может изменить или повредить материалы двумя способами: изменить уже существующие дефекты, либо ввести новые дефекты. Поведение кристаллов и дефектов в них зависит от режима обработки.