Классификация дефектов кристаллической решётки
Кристаллические тела обладают упорядоченным строением, в котором атомы, ионы или молекулы располагаются в определённом периодическом порядке. Однако в реальных условиях, особенно при росте кристаллов, воздействии температурных градиентов, механических напряжений или радиации, идеальная структура нарушается. Эти нарушения называются дефектами кристаллической решётки.
Согласно пространственному масштабу, дефекты делятся на три основных типа: точечные, линейные и поверхностные.
Точечные дефекты
Точечные дефекты представляют собой искажения структуры, локализованные в пределах нескольких межатомных расстояний.
Вакансии Вакансия возникает при отсутствии атома в узле кристаллической решётки. Такие дефекты могут быть как термически обусловлены (при нагревании), так и возникать в процессе кристаллизации. Их концентрация описывается экспоненциальной зависимостью:
$$ n = N \exp\left(-\frac{E_v}{kT}\right) $$
где n — число вакансий, N — общее число атомов, Ev — энергия образования вакансии, k — постоянная Больцмана, T — температура.
Примесные атомы Различают два типа:
Эти дефекты широко используются при легировании полупроводников, где контролируется концентрация электронов и дырок.
Межузельные атомы Атом основной решётки может находиться не в узле, а в междоузлии. Это создаёт уплотнение и локальные механические напряжения. Такие дефекты энергетически менее выгодны, чем вакансии, но могут образовываться при сильных механических воздействиях.
Комплексные дефекты Например, пара Френкеля: атом покидает свой узел и занимает междоузлие, создавая одновременно вакансию и межузельный дефект. Аналогично, дефект Шоттки — это пара вакансий в ионных кристаллах (антион и катион покидают свои узлы).
Линейные дефекты (дислокации)
Линейные дефекты возникают, когда искажение структуры распространяется вдоль определённой линии. Они играют критическую роль в механических свойствах материалов, таких как пластичность и прочность.
Краевая дислокация Возникает при внедрении дополнительной полуплоскости атомов. Линия дислокации проходит по границе между участками нормальной и искажённой решётки. При сдвиге вдоль этой линии осуществляется пластическая деформация.
Винтовая дислокация Связана с тем, что один слой кристалла сдвинут относительно другого, создавая винтовую структуру. Направление дислокации перпендикулярно вектору сдвига.
Смешанные дислокации В реальных кристаллах дислокации имеют сложную форму, сочетающую свойства как краевых, так и винтовых дислокаций.
Энергия дислокации пропорциональна квадрату вектора Бюргерса и обратно пропорциональна расстоянию между дислокациями. Плотность дислокаций может достигать 1010 см−2, особенно после пластической деформации.
Поверхностные дефекты
Эти дефекты связаны с нарушением периодичности решётки на поверхностях раздела.
Границы зёрен Кристаллические материалы состоят из множества кристаллитов (зёрен), ориентированных в разных направлениях. Между зёрнами — границы, где структура решётки искажена. Чем мельче зёрна, тем выше механическая прочность (эффект Холла — Печа).
Границы двойников Это плоские дефекты, при которых по одну сторону от границы структура зеркально отражается относительно другой стороны. Такие дефекты наблюдаются, например, при пластической деформации.
Поверхностные ступени и адатомы На поверхности кристалла возможны ступенчатые образования, террасы и островки. Атомы, находящиеся на поверхности, обладают неполной координацией и высокой свободной энергией. Атомы, адсорбированные на поверхность, называются адатомами.
Объёмные (трёхмерные) дефекты
Эти дефекты представляют собой включения и поры, охватывающие значительный объём кристалла.
Включения второй фазы В кристалле могут присутствовать частицы других веществ — как результат неполного очищения при синтезе, или в случае композитных материалов. Эти включения могут сильно искажать поле напряжений и влиять на прочность и теплопроводность.
Пустоты и поры В процессе кристаллизации могут образовываться полости, особенно при быстром охлаждении или недостаточном давлении. Они существенно ухудшают механические и электрические свойства кристаллов.
Осадки и кластерные образования При термической обработке или старении возможна сегрегация примесей, их агрегация в виде осадков. Например, в сплавах алюминия такие дефекты могут повышать твёрдость (эффект упрочнения).
Энергетические аспекты дефектов
Образование дефектов связано с затратами энергии. Например, энергия образования вакансии или межузельного атома требует разрыва связей. Однако в реальных кристаллах при температуре, отличной от абсолютного нуля, всегда существует некоторое равновесное число дефектов. Энергия взаимодействия между дефектами может быть как притягательной, так и отталкивающей. Дефекты могут мигрировать под действием температурных, электрических или механических градиентов — это лежит в основе таких явлений, как диффузия, рекристаллизация, ползучесть.
Роль дефектов в физических свойствах кристаллов
Электрические свойства Примеси, вакансии и дислокации могут служить ловушками для носителей заряда или, наоборот, источниками проводимости. В полупроводниках донорно-акцепторные примеси кардинально изменяют уровень Ферми.
Оптические свойства Цвет некоторых кристаллов (например, кварца или флюорита) может быть обусловлен дефектами: центрами окраски, состоящими из вакансий, связанных с электронами.
Механические свойства Прочность, пластичность, ударная вязкость зависят от плотности и подвижности дислокаций. Обработка материалов часто направлена на управление этими дефектами (например, упрочнение путём наклёпа).
Теплопроводность Точечные и линейные дефекты рассеивают фононы, снижая теплопроводность. Это используется, например, в термоэлектрических материалах для повышения эффективности.
Динамика дефектов и методы их исследования
Современные методы позволяют не только фиксировать наличие дефектов, но и исследовать их динамику.
Методы исследования:
Миграция дефектов Миграция точечных дефектов — основа диффузионных процессов. Дислокации могут перемещаться, изгибаться и взаимодействовать. При длительном нагревании может происходить рекристаллизация — уменьшение плотности дефектов и укрупнение зёрен.
Контроль дефектности в материалах
Инженерный контроль структуры кристаллов позволяет получать материалы с заданными свойствами. Используются методы:
Таким образом, дефекты являются неотъемлемой частью кристаллических тел, определяющей их физические, химические и эксплуатационные свойства. Управление ими лежит в основе современных технологий создания высокоточных и высокопрочных материалов.