Точкові дефекти в кристалах - студопедія
Класифікація дефектів в кристалах
Дефекти в кристалах
5.1 Класифікація дефектів в кристалах
5.2 Точкові дефекти в кристалах
5.4 Межі зерен
5.5 Міцність твердих тіл
Викладені раніше міркування про будову кристалів і про кристалічній решітці, строго кажучи, відносяться тільки до так званим ідеальним кристалів. Всякий же реальний кристал не має такої досконалої структури і має низку порушень ідеальної просторової решітки, які називаються дефектами в кристалах. Дефекти структури істотно, часом визначальний, вплив на властивості твердих тіл. Такими структурно-чутливими (т. Е. Залежними від дефектів структури) властивостями є електропровідність, фотопровідність, міцність і пластичність, забарвлення кристалів і т. Д. Процеси дифузії, зростання кристалів, рекристалізації і ряд інших можна задовільно пояснити, виходячи з припущення про їх залежно від дефектів. В даний час основні відомості про дефекти необхідні не тільки фізикам, але також конструкторам і творцям приладів на основі твердих тіл, які займаються вирощуванням скоєних моно-кристалів.
Класифікацію дефектів зазвичай здійснюють за чисто геометричними ознаками, а саме за кількістю вимірювань, в яких порушення структури кристала простягаються на відстані, що перевищують характерний параметр решітки. Виділяють чотири класи дефектів.
1. Точкові (нульмерние) дефекти. Саме їх назва свідчить про те, що порушення структури локалізовані в окремих точках кристала. Розміри зазначених дефектів у всіх трьох вимірах не перевищують одного або декількох міжатомних відстаней. До точкових дефектів відносять вакансії (вакантні вузли кристалічної решітки), атоми в междоузлиях, атоми домішок в вузлах або междоузлиях, а також поєднання домішка - вакансія, домішка - домішка, подвійні і потрійні вакансії. Точкові дефекти можуть з'явитися в твердих тілах внаслідок нагрівання (теплові дефекти), опромінення швидкими частинками (радіаційні дефекти), відхилення складу хімічних сполук від стехіометрії (стехиометрические дефекти), пластичної деформації.
2. Лінійні (одномірні) дефекти характеризуються тим, що порушення періодичності простягаються в одному вимірі на відстані, багато великі параметра решітки, тоді як в двох інших вимірах вони не перевищують декількох параметрів. Лінійними дефектами є дислокації, мікротріщини. Дислокації виникають в результаті пластичної деформації кристала в процесі росту або при наступних обробках. Можливо також утворення нестійких лінійних дефектів з ланцюжків точкових дефектів.
3. Поверхневі (двомірні) дефекти в двох вимірах мають розміри, у багато разів перевищують параметр решітки, а в третьому - кілька параметрів. Двомірні дефекти можуть бути наслідком наявності домішок в розплаві. Межі зерен і двійників, дефекти упаковки, міжфазні кордону, стінки доменів, а також поверхню кристала є двомірні дефекти.
4. Об'ємні (тривимірні) дефекти - це мікропорожнечі і включення другої фази. Вони виникають зазвичай при вирощуванні кристалів або в результаті деяких впливів на кристал. Так, наприклад, наявність великої кількості домішок в розплаві, з якого ведеться кристалізація, може привести до випадання великих частинок другої фази.
Найбільш поширеними точковими дефектами є енергетичні дефекти - фонони - тимчасові спотворення регулярності решітки кристала, викликані тепловим рухом. До енергетичних дефектів кристалів відносяться також тимчасові недосконалості решітки (порушені стану), що викликаються дією різних радіацій: світла, рентгенівського або # 947; -випромінювання, # 945; -випромінювання, потоку нейтронів.
До електронних дефектів відносяться надлишкові електрони, недолік електронів (незаповнені валентні зв'язки в кристалі - дірки) і екситон. Останні являють собою парні дефекти, що складаються з електрона і дірки, які пов'язані кулоновскими силами.
До атомним дефектів відносяться домішки, дефекти Френкеля і дефекти Шотки.
Якщо атом домішки заміщає атом основної речовини в вузлі решітки, він називається домішкою заміщення (рисунок 5.1). Якщо домішковий атом впроваджується в междоузлие, його називають домішкою впровадження (рисунок 5.2).
Малюнок 5.1 - Домішки заміщення
Малюнок 5.2 - Домішки впровадження
Хоча відносна концентрація атомних дефектів може бути невеликою, але зміни фізичних властивостей кристала, викликані ними, можуть бути величезними. Атомні дефекти можуть впливати на механічні, електричні, магнітні та оптичні властивості кристалів. В якості ілюстрації наведемо лише один приклад: тисячні частки відсотка деяких домішок до чистих напівпровідникових кристалів змінюють їх електричний опір в 10 5 -10 6 разів.
Механізм виникнення точкових дефектів вперше був запропонований Я. І. Френкелем. Введені ним подання прості і наочні. У фізиці добре відоме явище сублімації - випаровування-ня твердих тіл. Над поверхнею твердих тіл, так само як і над поверхнею рідини, завжди існує «пар», що складається з атомів даної речовини. Атоми, що утворюють поверхневий шар кристала, можуть внаслідок нагрівання придбавати кінетичну енергію, достатню для того, щоб відірватися від поверхні і перейти в навколишній простір. Я. І. Френкель припустив, що такий відрив може мати місце не тільки для поверхневих атомів, але і для атомів всередині кристала. Дійсно, відповідно до основних принципів статистичної фізики, навіть в тому випадку, коли середня кінетична енергія атомів дуже мала, в кристалі завжди знайдеться кілька атомів, кінетична енергія яких може бути дуже велика. При цьому відповідно до імовірнісним характером цього явища будь-атом кристала в той чи інший момент часу може придбати енергію, значно бóБільшу, ніж середня кінетична енергія атомів кристала. Такий атом може вийти зі свого рівноважного положення, т. Е. З вузла решітки. Переміщаючись по кристалу і передаючи енергію іншим атомам, він займає новий рівноважний стан. Якщо все найближчі вузли решітки зайняті, то він може розміститися тільки в междоузлии. Що залишився порожнім вузол решітки отримав назву вакансії.
Точкові дефекти у вигляді сукупності атомів в междоузлиях і вакансії називають дефектами по Френкелю (рисунок 5.3).
Парні дефекти Френкеля виникають легше в кристалах, що містять великі міжатомні проміжки, ніж в щільноупакованих. В останніх для междоузельних атомів немає місця. Прикладом кристалів першого типу є кристали зі структурою алмазу і кам'яної солі, а кристалів другого типу -метал з щільною упаковкою. Так, наприклад, малоймовірно зустріти при звичайних умовах міжвузольні атоми в гранецентрированную металах. Крім парних дефектів по Френкелю, в кристалах име-ються і поодинокі точкові дефекти - вакансії, вперше розглянуті В. Шотткі (рисунок 5.4). Дефекти по Шотткі зазвичай зустрічаються в кристалах з щільною упаковкою атомів, де освіту междоузельних атомів утруднено і енергетично не вигідно. Процес обра-тання дефектів в такому кристалі може відбуватися сле-дмуть чином. Деякі атоми з приповерхневого шару в результаті теплового руху можуть вийти з кристала на поверхню. Новоутворена вакансія мігрує-ет потім в обсяг кристала. Освіта дефектів по Шоттки зменшує щільність кристала через збільшення його обсягу при постійній масі. При утворенні дефектів по Френкелю щільність залишається незмінною, так як обсяг кристала не змінюється.
Малюнок 5.3 - Дефекти Френкеля
Малюнок 5.4 - Дефекти Шотткі
Точкові дефекти типу вакансій є в кожному кристалі, як би ретельно він ні вирощувався. Більш того, в реальному кристалі вакансії постійно зароджуються і зникають під дією теплових флуктуацій. За формулою Больцмана рівноважна концентрація вакансій nв в кристалі при даній температурі (Т) визначиться так:
де п - число атомів в одиниці об'єму кристала,
е - основа натуральних логарифмів,
k - постійна Больцмана,
ЕВ - енергія утворення вакансій.
Для більшості кристалів енергія утворення вакансій приблизно дорівнює 1 ев, при кімнатній температурі kT »0,025 ев, отже,
При підвищенні температури відносна концентрація вакансій досить швидко зростає: при Т = 600 ° К вона досягає 10 -5. а при 900 ° К - 10 -2.
Аналогічні міркування можна зробити щодо концентрації дефектів по Френкелю, з урахуванням того, що енергія утворення впроваджень значно більше енергії освіти вакансії.