Дефекты кристаллической структуры

Классификация дефектов кристаллической структуры

Кристаллы редко обладают идеальной периодической структурой. Реальные твёрдые тела всегда содержат дефекты, которые могут существенно влиять на их физико-химические свойства — прочность, электропроводность, теплопроводность, оптические характеристики и химическую активность. Дефекты могут возникать как в процессе кристаллизации, так и под действием внешних факторов — облучения, механических нагрузок, термической обработки.

Все дефекты подразделяются на несколько основных типов: точечные, линейные, поверхностные и объёмные.

Точечные дефекты представляют собой нарушение регулярного расположения атомов в пределах нескольких межатомных расстояний.

Виды точечных дефектов:

Вакансии — отсутствие атома в узле кристаллической решётки.
- Образуются в результате тепловых колебаний при высоких температурах или под воздействием облучения.
- Концентрация вакансий при температуре T описывается выражением:
  
  $$ n_v = N \exp\left(-\frac{Q_v}{k_B T}\right), $$
  
  где N — число узлов, Q_v — энергия образования вакансии, k_B — постоянная Больцмана.
Межузельные атомы — атомы, находящиеся в позициях, не соответствующих узлам решётки.
- Чаще встречаются у лёгких атомов в решётках тяжёлых металлов.
Примесные атомы — инородные атомы, внедрённые в кристалл.
- Замещающие примеси — занимают место атома основного вещества.
- Внедрённые примеси — располагаются в межузельных позициях.
Комплексные точечные дефекты — ассоциации вакансий и примесных атомов (например, пары Френкеля или Шоттки).

Линейные дефекты (дислокации)

Линейные дефекты представляют собой одномерные области нарушения кристаллической структуры.

Основные типы:

Краевая дислокация
- Возникает при встраивании лишней полуплоскости атомов в решётку.
- Характеризуется вектором Бюргерса b⃗, перпендикулярным линии дислокации.
Винтовая дислокация
- Образуется при сдвиге атомных плоскостей относительно друг друга, создавая винтообразное смещение.
- Вектор Бюргерса параллелен линии дислокации.
Смешанная дислокация
- Сочетает черты краевой и винтовой дислокаций.

Влияние дислокаций:

Определяют пластичность металлов.
Являются центрами закрепления точечных дефектов.
Способствуют упрочнению при холодной деформации (наклёп).

Поверхностные дефекты

Поверхностные дефекты связаны с нарушением периодичности на плоскостях кристалла.

Виды:

Границы зёрен — области между кристаллитами с разной ориентацией.
- Мелкозернистая структура повышает прочность, но может снижать пластичность.
Границы двойников — симметричные отражения атомных плоскостей относительно определённой кристаллографической плоскости.
- Влияют на механические и оптические свойства.
Поверхности раздела фаз — возникают при наличии в кристалле участков с различными фазами или модификациями.

Объёмные дефекты

К объёмным дефектам относят трёхмерные области нарушения структуры:

Поры — пустоты в кристалле, снижающие механическую прочность.
Включения — частицы других фаз или химических соединений.
Осадки — выделения новой фазы при распаде пересыщенного твёрдого раствора.

Механизмы образования дефектов

Дефекты могут возникать:

При росте кристаллов — несовершенства закрепляются при быстром охлаждении или при наличии примесей.
Под действием пластической деформации — формируются дислокации и их скопления.
В результате облучения — ионизирующее излучение выбивает атомы из узлов, создавая вакансии и межузельные атомы.
При термических колебаниях — высокие температуры увеличивают концентрацию вакансий.

Влияние дефектов на свойства материалов

Механические свойства — дефекты влияют на предел прочности, твёрдость, пластичность.
Электрические свойства — вакансии и примеси могут изменять электропроводность (например, легирование полупроводников).
Теплопроводность — дефекты рассеивают фононы, снижая теплопроводность.
Оптические свойства — некоторые дефекты создают центры окраски, изменяя спектр поглощения.