Дефекты в кристаллах

Материал из Выращивание кристаллов
Перейти к: навигация, поиск
ВсеТеоретические сведенияДефекты в кристаллах

Основная статья: Дефекты кристалла.

Дефектом кристалла называют любое нарушение идеальной периодичности структуры кристалла.

Идеальный и реальный кристаллы

Теоретическая модель структуры кристалла подразумевает идеальную периодичность во всем теле кристалла и присутствие частиц только его вещества.
Однако, в реальном кристалле это совершенно не так, всегда находятся различные нарушения периодичности и симметрии, появляются примесные частицы, осуществляется перенос частиц вещества в пространство между узлами решетки и многое другое.

Любые попытки создать идеальный кристалл обречены на провал, и не последнюю роль здесь играет второй закон термодинамики. Согласно ему, в замкнутой равновесной системе свободные хаотически движущиеся частицы <=> кристаллическая структура, энтропия (мера беспорядка) не может понижаться, а так как образование структуры по определению является процессом уменьшения беспорядка системы, то структура может образоваться только с дефектами. Если же попробовать обойти этот закон, найдя способ вручную перемещать частицы на требуемые места, то из-за даже небольших различий в температуре различных его частей, частицы со временем начнут случайно менять свое положение в решетке, неизбежно приводя к образованию дефектов.

Именно поэтому такая математическая абстракция как идеальный кристалл не может существовать в реальности.

Типы дефектов

Ниже приведена классификация дефектов в зависимости от их размерности и типа.

Размерность Дефект Описание Изображение
0-мерные

(уровень отдельных частиц, влияние оказывается на отдельные ряды или плоскости)

Вакансия Отсутствие частицы на положенном месте решетки Defects.vacancy.png
Междоузельная частица Присутствие частицы собственного вещества в пустом пространстве между узлами Defects.interstitial.png
Дефект по Френкелю Перемещение собственной частицы из узла в междоузельное пространство решетки Defects.frenkel.png
Дефект по Шоттки Перемещение пары разноименно заряженных собственных частиц из узлов без образования междоузельной дислокации (в ионных соединениях) Defects.shottky.png
Примесь замещения Частица примесного вещества заменила частицу собственного вещества в узле решетки Defects.impurity.replacement.png
Примесь внедрения Частица примесного вещества попала в пространство между узлами решетки Defects.impurity.inclusion.png
1-мерные

(линейные дефекты, влияние оказывается на отдельные плоскости или границы объемов всего кристалла)

Продольная дислокация Отсутствие части плоскости, ее место огибается соседними плоскостями Defects.dislocation.edge.png
Винтовая дислокация Частичный сдвиг плоскостей в продольном направлении при сохранении связи между ними Defects.dislocation.screw.png
Дисклинация Вклинивание дополнительной части решетки, приводит к скручиванию плоскостей в конусы Defects.disclination.png
2-мерные

(плоскостные дефекты, границы объемов с разными свойствами)

Границы зерен Поверхность столкновения множества зон роста с различным взаимным положением решеток, решетки не соединены Defects.boundary.grain.png
Перегиб Множество продольных дислокаций в пределах нескольких соседних плоскостей Defects.boundary.tilt.png
Кручение Множество винтовых дислокаций в пределах нескольких соседних плоскостей Defects.boundary.twist.png
Дефект упаковки Множество вакансий в одной плоскости, приводит к нарушению порядка следования слоев, иногда частичному Defects.stacking.fault.png
Двойниковая граница Поверхность столкновения зон роста с зеркально-симметричным положением решеток, решетки объединены перешейком или общими частицами Defects.boundary.twin.png
Межфазная граница Поверхность столкновения зон роста с обратным порядком расположения частиц или слоев, решетки не соединены Defects.boundary.antiphase.png
"Ступеньки" Появление над ровным поверхностным слоем кристалла дополнительного, имеющего меньшую площадь Defects.boundary.step.png
3-мерные

(отдельные макроскопические дефекты объема)

Трещины Разрыв решетки в больших масштабах Defects.crack.png
Поры Локальный разрыв решетки Defects.pores.png
Включения Внедрение пузырьков и макроскопических примесей Defects.macroinclusion.png


Преобразование и взаимодействие дефектов

Так как узлы решетки никогда не находятся в статичном положении, а совершают постоянные тепловые колебания, то они часто перемещаются между узлами решетки. А это означает, что вслед за ними перемещаются и дефекты.
Благодаря этому, дефекты не только могут менять свое положение во всей структуре, но и сложным образом взаимодействовать.

Например, вакансии могут как переместиться ближе к поверхности кристалла, что приведет к их "испарению", либо объединиться в нескольких соседних областях и создать перегиб решетки, либо осуществить оба варианта одновременно, образовав трещину.

Взаимодействие некоторых видов дефектов может приводить к их самоустранению, например, междоузловая частица и вакансия при слиянии вновь дадут идеальную решетку, как и слияние множества винтовых дислокаций и деформации кручения с обратным относительно них направлением вращения.

Влияние дефектов

Присутствие любых дефектов приводит к увеличению энергии решетки по сравнению с идеальной. На макроуровне такие изменения могут иметь совершенно необычные последствия.

Дисклокации и дисклинации увеличивают хрупкость материала при кратковременном сильном воздействии, но в то же время придают ему твердость и способность выдерживать длительные нагрузки. Присутствие макропримесей дает обратный эффект.
Примеси внедрения и вакансии сильно влияют на электрическую и магнитную проницаемости вещества, поляризационные свойства, вызывают появление окраски, явления сегнето-, пьезо- и пироэлектричества. Например, примеси некоторых веществ превращают кремний в полупроводник, а кристаллы прозрачного корунда - в рубины и сапфиры.

Избавление от дефектов

Для получения протяженных приближенных к идеальным кристаллических структур используют различные методы избавления от дефектов.

Большинство из них основаны на увеличении скорости передвижения дефектов при нагреве. Наиболее часто используемый метод - зонная плавка - образец кристалла с дефектами точечно нагревают до плавления, медленно перемещая центр нагрева во всему объему кристалла. Это позволяет избавится от множества дефектов различного типа, при этом дополнительно очистив материал.

Для металлических изделий используют отжиг - нагрев материала до точки близкой к его температуре плавления, с медленным остыванием (до градуса за несколько часов). Это позволяет практически избавить изделие от вакансий, междоузельных дефектов и дислокаций, увеличив его пластичность.

Добавление дефектов

Для многих отраслей наоборот требуется присутствие некоторых видов дефектов.

В металлургии проводят механическую обработку изделий ковкой или прокаткой, резко увеличивая количество дислокаций и дисклинаций. Это придает материалам прочность в требуемых направлениях, но одновременно снижает их пластичность.

Для добавления примесных атомов и ионов используют множество методов, такие как непосредственное введение примесей в расплав вещества, напыление, воздействие ионизирующего излучения.

Рекомендуемые материалы

Навигация