Глава 5. Физические основы процессов и явлений, лежащие в основе методов получения информации о структурных характеристиках материалов

Введение

Основу элементной базы современной электронной промышленности составляют твердотельные элементы.

Физические свойства материалов обуславливаются их структурой. Именно поэтому получение, накопление и систематизация экспериментальных данных о структурном состоянии веществ и его изменениях в результате различного рода внешних воздействий является одной из наиболее важных задач современной науки о конденсированном состоянии.

Под структурой вещества в физике твердого тела и кристаллографии понимают конкретное расположение в пространстве образующих его частиц – атомов, ионов, молекул.

С начала 19 века главную роль в идентификации и характеризации атомно-молекулярной структуры играют рентгеновские дифракционные методы, в основе которых лежит взаимодействие электромагнитного излучения рентгеновского диапазона с веществом. Наряду с этим к настоящему времени разработаны и продолжают разрабатываться новые более мощные методы, позволяющие как расширить диапазон получаемой информации, так и получить новые сведения, недоступные из-за ограниченности дифракционного эксперимента.

Развитие физики твердого тела показало, что не менее важной и необходимой является с одной стороны информация об атомной структуре и дефектах атомной структуры, с другой – информация об ультра-, микро- и макроструктурном состоянии. Эту информацию можно получить как из дифракционных экспериментов, так и методами оптической и электронной микроскопии.

Прежде, чем рассматривать физические основы ряда указанных методов, остановимся на некоторых общих вопросах и представлениях, необходимых для дальнейшего понимания предмета.

5.1. Классификация твердых тел

К конденсированному состоянию относятся два агрегатных состояния вещества: жидкое и твердое. Конденсированные материалы представляют собой ансамбли сильно взаимодействующих частиц (атомов, ионов, молекул, электронов), в которых расстояния между частицами устанавливаются так, чтобы силы притяжения и отталкивания были уравновешены. Именно поэтому конденсированные системы оказывают сильное сопротивление изменению объема. Те же из них, которые, наряду с этим, оказывают сильное сопротивление изменению формы, называются твердыми телами.

На границе между твердыми телами и жидкостями находятся аморфные материалы. Аморфные материалы также оказывают большое сопротивление изменению объема, но не могут сохранять форму бесконечно долго. Последнее время их относят к твердым телам. Твердые тела можно классифицировать по характеру взаимного расположения атомов следующим образом [1].

1. Идеальные монокристаллы. К ним относятся твердые тела, в которых реализуется идеальная трансляционная симметрия в расположении атомов, то есть реализуется идеальный дальний порядок. Это означает, что атомы расположены регулярно и по сортам, и по расстояниям.

Рассмотрим кристалл каменной соли NaCl, элементарная ячейка которого представлена на рис. 5.1.

Рис. 5.1. Элементарная ячейка кристаллов со структурой типа NaCl

Вдоль осей XYZ атомы натрия Na и хлора Cl чередуются. Такой мотив расположения атомов в пространстве продолжается до бесконечности и получается трансляцией (смещением) базисной группы атомов на вектор, соединяющий в любом направлении два атома одного и того же сорта. Вектор, смещение на который позволяет совместить систему атомов саму с собой, называется вектором трансляции. Элементарными трансляциями называется кратчайшая для данного материала тройка некомпланарных векторов трансляции. На этих векторах строится параллелепипед, называемый элементарной ячейкой кристалла. Трансляция такой ячейки во всех направлениях полностью воспроизводит пространственную решетку кристалла. Элементарная ячейка характеризуется периодами (элементарные трансляции) и углами , , . В веществах с дальним порядком все характеристики инвариантны относительно смещения тела на величину вектора трансляции : , где m, n, p – целые числа.

2. Монокристаллы с дефектами решетки – реальные монокристаллы. Дефекты решетки представляют собой нарушения дальнего порядка. По пространственной протяженности они разделяются на нульмерные, или точечные, линейные, плоские и объемные [2, 3].

К собственным точечным дефектам относятся вакансии (отсутствие атома в узле решетки) и междоузельные атомы (атом в пространстве между узлами решетки). Примесные точечные дефекты – это одиночные атомы примеси, которые могут, как замещать атом основного элемента в узле решетки, так и располагаться в междоузельном пространстве.

Число собственных и примесных точечных дефектов обычно невелико. Однако существует класс материалов, в которых атомы разного сорта образуют единую кристаллическую решетку. Такие материалы называют сплавами, или твердыми растворами. В твердых растворах говорят о среднем дальнем порядке.

Как идеальные монокристаллы, так и монокристаллы с дефектами, характеризуются анизотропией свойств.

К линейным дефектам относятся дислокации. Простейший пример – краевая дислокация: отсутствие полуплоскости в кристалле. Линия дислокации проходит через весь кристалл.

Плоские дефекты – границы блоков (слабо разориентированных относительно друг друга областей с идеальным порядком), образуются выстраивающимися в стенки дислокациями.

Объемные дефекты представляют собой поры и включения групп атомов иного сорта.

3. Поликристаллы – вещества, состоящие из большого числа различным образом ориентированных сравнительно небольших монокристаллов (зерен), правильных или содержащих дефекты. В поликристаллах дальний порядок сохраняется лишь в пределах каждого зерна.

4. Двумерные (квазиплоские) системы – пленки или поверхностные слои твердых тел, в которых трансляционная симметрия сохраняется лишь в плоскости.

5. Аморфные материалы – вещества, в которых отсутствует трансляционная симметрия, т. е. нет дальнего порядка. В аморфных веществах сохраняется ближний порядок в расположении образующих его частиц в пределах нескольких межатомных расстояний. Это означает, что расстояния между соседними атомами в любой точке объема оказываются примерно одинаковыми, но с возрастанием расстояния от данной точки регулярность в расположении атомов нарушается. Для аморфных материалов характерна изотропия свойств.