5. Структурозависимые свойства

Итак, дефекты искажают структуру кристалла. Они могут влиять или не влиять на его свойства. В этом случае необходимо выделить два класса свойств: структурозависимые и структуронезависимые. По определению, ко второй группе можно отнести плотность, теплоемкость и некоторые другие свойства. Необходимо отметить, что влияние дефектов и в этом случае есть, но оно невелико. Так, наличие вакансий или пустот снижает плотность тела, но пока тело можно считать кристаллом данной структуры, этими изменениями можно пренебречь.

Структурозависимыесвойствазависят от наличия, типа и плотности дефектов. Таких свойств гораздо больше: электропроводность, теплопроводность, механическая прочность и т. д. Здесь мы рассмотрим некоторые из них.

Электрофизические свойства. Мы знаем, что удельная электропроводность тела зависит от концентрации n и подвижности μ носителей

σ = e n μ,(1.18)

где е– элементарный заряд.

Очевидно, что электропроводностью обладают проводники (металлы) и полупроводники.

В случае проводниковкартина довольно проста: концентрация носителей заряда для них практически постоянна и от дефектности кристалла почти не зависит. Однако наличие и концентрация дефектов сильно влияют на подвижность носителей, поскольку электроны рассеиваются на дефектах. Длина свободного пробега сокращается, уменьшаются подвижность носителей и удельная электропроводность.

Для полупроводниковкартина более сложна. Подвижность, как и в первом случае, с ростом дефектности падает, и, если дефекты не влияют на концентрацию носителей, электропроводность тоже уменьшается.

Однако если дефекты играют роль доноров или акцепторов, то концентрация носителей резко возрастает и электропроводность также резко увеличивается (п. 5.3).

Наличие дислокаций также существенно сказывается на электрических характеристиках полупроводника: они могут являться источником большого числа носителей заряда, а также центрами генерации и рекомбинации.

Поверхность полупроводника (как двухмерный дефект) может существенно влиять на электрические свойства приповерхностного слоя. Здесь может изменяться концентрация носителей (п. 8.3), и соответственно изменится электропроводность.

Оптические характеристикибудем рассматривать, естественно, лишь для твердых тел, прозрачных для электромагнитного излучения светового диапазона. Это, в первую очередь, ионные кристаллы. Кроме того, полупроводники являются прозрачными в длинноволновой области спектра. Проводники, вследствие большой концентрации заряженных частиц, непрозрачны.

Известно, что в отсутствие дефектов ионные кристаллы прозрачны. Поглощение света наблюдается лишь в инфракрасной области спектра и обусловлено колебаниями ионов в целом под действием падающей электромагнитной волны (света). Это поглощение происходит при частоте 10¹³ Гц и менее.

Дефекты, находящиеся в таких кристаллах, выступают как центры поглощения. Коэффициент поглощения в дефектных кристаллах возрастает с повышением концентрации дефектов. Такое поглощение имеет полосатый спектр, т.е. происходит в определенном диапазоне частот. Некоторые полосы поглощения обусловлены наличием вакансий в кристалле. Если вакансии захватывают электроны или дырки, они приобретают способность поглощать свет и называютсяцентрами окраски. В этом случае прозрачный кристалл приобретает окрашенность.

Центры окраски также возникают в результате наличия примесных дефектов. Так, присутствие ионов металлов приводит к окрашиванию кристаллов корунда (Al₂O₃). ИоныCr³⁺, введенные в корунд, превращают его в рубин. Добавки других ионов (Fe,Cu,Ti) приводят к окрашиванию кристаллов в другие цвета.

Центры окраски могут быть созданы в кристаллах путем облучения их рентгеновскими лучами или ядерными частицами.

В полупроводниках наблюдается примесное поглощение. Фотон перебрасывает электрон с уровня примеси в зону проводимости, передавая ему энергию и импульс, что приводит к повышению концентрации носителей (п. 6.3).

Механические свойствакристаллов также зависят от наличия и концентрации дефектов. Как уже отмечалось, расчетные свойства идеальных кристаллов высоки и снижаются при наличии дефектов структуры. Отношение расчетной механической прочности к реальной для меди – 50, железа – 7, стекла – 100 и каменной соли – 800. Приведенные цифры показывают степень влияния дефектов структуры кристалла на его свойства.

В настоящее время принято считать, что такое различие свойств объясняется существованием, в первую очередь, микротрещин, снижающих прочность твердого тела. Трещины могут возникать под воздействием механической обработки, слиянии большого числа вакансий, дислокаций и т.д.

Возможно и обратное. Известно, что знакопеременная деформация кристаллов магния может привести к росту критического напряжения примерно в 25 раз. Еще более сильное упрочнениеиспытывают кристаллы кубической системы – алюминий, медь и др. Этот процесс получил названиенаклепаи объясняется созданием при наклепе тормозящих сдвиг дефектов – дислокаций. К методам упрочнения твердых тел относится изакалка. Процессы, сопровождающие закалку, сложны и многофакторны, однако физическая суть закалки заключается в образовании дефектов при высокой температуре и замораживании их в кристалле при резком охлаждении.

Управление структурой твердых тел является очень важной задачей.