1.5. Дефекты кристаллов
Реальные кристаллы имеют ряд нарушений идеальной пространственной решетки, которые называют дефектами кристаллов. Дефекты структуры оказывают существенное влияние на многие свойства кристаллов, например, на электро- и фотопроводимость, прочность, пластичность, окраску кристаллов.
Дефекты классифицируют по числу измерений, в которых нарушения структуры кристалла простираются на расстояния, большие параметров решетки. Выделяют четыре класса дефектов.
Точечные, или нульмерные дефекты
Само их название говорит о том, что нарушения структуры локализованы в отдельных точках кристалла. Размеры таких дефектов в трех измерениях не превышают одного или нескольких межатомных расстояний.
К точечным дефектам относят вакансии (вакантные узлы кристаллической решетки), атомы в междоузлиях, атомы примесей в узлах или междоузлиях, сочетания примесь-вакансия, примесь-примесь, двойные или тройные вакансии и др.
Точечные дефекты могут появиться из-за нагревания (тепловые дефекты), облучения быстрыми частицами (радиационные дефекты), отклонения состава от стехиометрии (стехиометрические дефекты), пластической деформации.
Тепловые точечные дефекты.
Вследствиенагревания атомы кристалла могут выходить из своих положений равновесия. Такой атом, перемещаясь по кристаллу, занимает место в междоузлии, а оставшийся пустым узел решетки называется вакансией (рис. 1.8). Пару атом в междоузлии – вакансия называют френкелевской парой, или дефектами по Френкелю. Парные дефекты Френкеля возникают легче в кристаллах, содержащих большие межузельные промежутки.
Кроме парных дефектов по Френкелю, в кристаллах имеются и одиночные точечные дефекты – вакансии, или дефекты по Шоттки. Образуются они таким образом – атомы приповерхностного слоя в результате теплового движения могут выйти из кристалла на поверхность; образовавшаяся вакансия мигрирует в объем кристалла (рис. 1.9). Такие дефекты встречаются в кристаллах с плотной упаковкой атомов, где образование междоузельных атомов затруднено.
Образование дефектов по Шоттки уменьшает плотность кристалла из-за увеличения его объема при постоянной массе. При образовании дефектов по Френкелю плотность остается неизменной, так как объем кристалла не меняется.
Радиационные точечные дефекты.
Возникают при облучении кристаллов быстрыми частицами – нейтронами, протонами, электронами, а также осколками деления ядер и ускоренными ионами. Прохождение этих частиц через кристалл сопровождается следующими процессами:
- упругие столкновения быстрых частиц с ядрами атомов кристалла;
- возбуждение электронных оболочек атомов кристалла и их ионизация;
- ядерные превращения – переход части атомов кристалла в радиоактивное состояние и превращение их после радиоактивного распада в примесные центры.
В отличие от тепловых, радиационные точечные дефекты термодинамически неравновесны, так что после прекращения облучения состояние кристалла не является стационарным. При некоторых критических концентрация радиационных дефектов кристаллическое состояние становится неустойчивым и происходит переход в аморфное состояние.
Линейные, или одномерные дефекты
Характеризуются тем, что нарушения периодичности простираются в одном измерении на расстояния, много большие параметра решетки, в то время как в двух других измерениях они не превышают нескольких параметров.
Линейными дефектами являются дислокации, микротрещины, цепочки из точечных дефектов.
Дислокации
Пластические свойства кристаллов можно интерпретировать на основе представлений о теории дислокаций. Дислокации появляются в результате пластической деформации кристалла в процессе роста или при последующих обработках. Линия, отделяющая область кристалла, где сдвиг произошел, от области, где он не произошел, называется дислокацией. Выделяют два основных вида дислокаций – краевую и винтовую.
На рис. 1.10 изображена краевая дислокация OO', возникшая при сдвиге части кристалла на одно межатомное расстояние и показано расположение атомов в плоскости, перпендикулярной линии дислокации. Видно, что на n атомных плоскостей, расположенных ниже плоскости скольжения, приходится n+1 плоскость выше плоскости скольжения. Дислокация OO', представляющая собой край лишней полуплоскости MNOO', называется краевой. Краевая дислокация перпендикулярна вектору сдвига. Можно представлять себе, что краевая дислокация образуется, если вставить дополнительную плоскость MNO'О между плоскостями идеального кристалла.
Введем понятие о винтовой дислокации. Пусть в кристалле сдвиг произведен так, как показано на рис. 1.11. Линия дислокации OO', отделяющая область, где сдвиг произошел, от области, где он не произошел, здесь не перпендикулярна, а параллельна вектору сдвига. Кристалл в этом случае можно представить себе состоящим из одной атомной плоскости, «закрученной» вокруг дислокации. Такая дислокация была названа винтовой.
Рис. 1.10. Краевая дислокация OO', возникшая в результате сдвига
Рис. 1.11. Образование винтовой дислокации
Поверхностные, или двумерные дефекты
Они в двух измерениях имеют размеры, во много раз превышающие параметр решетки, а в третьем – несколько параметров.
Границы зерен и двойников, дефекты упаковки, межфазные границы, а также поверхность кристалла представляют собой двумерные дефекты.
Объемные, или трехмерные дефекты
Это микропустоты и включения другой фазы, они возникают при выращивании кристаллов или в результате некоторых воздействий на кристалл. Например, наличие большого количества примесей в расплаве, из которого ведется кристаллизация, может привести к выпадению крупных частиц второй фазы. Двумерные дефекты также могут быть следствием наличия примесей в расплаве.
|
