Дефекты в кристаллах. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Дефекты в кристаллах - устойчивые нарушения правильного расположения атомов или ионов в узлах кристаллич. решётки, соответствующего минимуму потенциальной энергии кристалла.

Геометрическая классификация Д. основана на числе измерений, в к-рых размеры дефектного участка (ядра Д.) значительно превышают межатомное расстояние а. К нульмерным, или точечным, Д., у к-рых все размеры сравнимы с а, относятся вакансии, межузельные атомы, примесные атомы замещения и внедрения (в разбавленных твёрдых растворах)и их мелкие скопления. Одномерными, или линейными, Д. являются цепочки точечных Д., дислокации (полные, частичные, двойникующие, зернограничные, межфазные) и дисклинации .Дислокации имеют вдоль своей оси l размеры

. Перпендикулярно l атомная конфигурация ядра дислокации (~а) обеспечивает скачок смещений атомов при обходе вокруг линии дислокации, равный вектору Бюргерса b.

Двухмерными, или поверхностными, Д. являются дефекты упаковки ,границы двойников (см. Двойникование)и зёрен (см. Mежзёрезные границы), антифазные и межфазные границы в сплавах, сама поверхность кристалла. Поверхностные Д., обрывающиеся внутри кристалла, ограничены полными или частичными дислокациями либо дисклинациями. Трёхмерными, или объёмными, Д. являются поры, трещины, включения др. фаз, тетраэдры из Д. упаковки.

Представление о точечных Д. введено в 1926 Я. И. Френкелем, понятие о дислокациях в 1934 независимо Дж. Тейлором (G. T. Taylor), Э. Орованом (E. Orowan), M. Поляни (M. Polanyi) в развитие идей И. В. Обреимова, H. А. Бриллиантова, Л. В. Шубникова, Л. Прандтля (L. Prandtl), Делингера (V. Dehlinger) и др.

Основные характеристики Д.: энергия их образования U, равная разности между энергией кристалла с Д. и бездефектного кристалла из такого же числа атомов; характер изменения упругих искажений решётки вдали от Д., т. е. на расстоянии

; избыточный объём; атомная структура ядра Д.; зарядовое состояние Д.- суммарный заряд и распределение заряда в ядре Д.; магн. момент Д.; скорость перемещения Д. по кристаллу под действием приложенных к кристаллу механич., электрич. и др. сил (подвижность).

Энергия образования Д. Энергия образования вакансии (определяемая работой переноса атома из узла решётки на поверхность кристалла) U~1 эВ. Энергия образования межузельного атома (работа переноса атома с поверхности кристалла в междоузлие) порядка неск. эВ. Точечные Д. повышают конфигурац. энтропию S кристалла. Поэтому при конечной температуре T в термодинамич. равновесии, характеризуемом минимумом свободной энергии

, кристалл всегда содержит нек-рое кол-во (п)точечных Д. В простейшем случае одноатомных металлов относит. концентрация вакансий

Энергия образования линейных, поверхностных и объёмных Д. велика, и при термодинамич. равновесии их в кристалле нет. Однако при механич. воздействии в кристалле могут возникнуть дислокации и др. Д. T. к. время до спонтанной аннигиляции дислокаций или до их выхода из кристалла велико, то обычно любой кристалл содержит дислокации. Выращивание бездислокац. кристаллов макроскопич. размеров возможно лишь при соблюдении ряда спец. мер. Осн. долю энергии дислокации составляет энергия упругих искажений решётки вокруг неё; на единицу длины дислокации она порядка 0,1Cb², где G - модуль сдвига, т. е. ок. 10 эВ на атомную плоскость, перпендикулярную оси дислокации. Поверхностная энергия Д. упаковки в разл. металлах и сплавах U~10-200 мДж*м^-2, для межзёренных границ U~1 Дж*м^-2. Энергия макроскопич. трёхмерных Д. определяется в осн. их поверхностной энергией и энергией упругих искажений.

Механические напряжения. Д., как правило, являются источниками внутр. механич. напряжений.Напряжение

на расстоянии г от точечного Д. мощности С, определяемой разностью объёмов Д.- включения и полости в кристалле, в к-рую он вставлен, равно:

т. е. спадает с г сравнительно быстро. В отличие от этого, упругое поле дислокации

является дальнодействующим. Для поверхностных Д. а спадает с r быстрее; так, для малоугловой дислокац. границы при r>h (h - расстояние между дислокациями):

Избыточный объём. При образовании точечных Д. после перенесения лишнего атома в кристалл (или удаления атома из узла) окружающие Д. атомы и все последующие атомы вплоть до поверхности кристалла смещаются (релаксируют) в положения с мин. энергией (ближайшие атомы вокруг вакансии сдвигаются к ней, междоузельный атом, наоборот, расталкивает окружающие атомы). В результате объём кристалла изменяется на

. Напр., для вакансии

, для междоузельного атома в конфигурации гантели

, где

- атомный объём для недостающего атома.

Для дислокации в линейной теории упругости

, т. к. для винтовой дислокации диагональные компоненты тензора напряжений

, а для краевой дислокации сжатие решётки по одну сторону от плоскости скольжения точно скомпенсировано растяжением по др. сторону от неё. Учёт структуры ядра дислокации и нелинейных эффектов в теории упругости показывает, что дислокация вызывает расширение решётки

на атомную плоскость, перпендикулярную оси дислокации, порядка

. Изменение объёма

в случае поверхностных Д. соответствует увеличению локального межплоскостного расстояния на 10-20%.

Структура ядра Д. определяется структурой кристаллич. решётки. Среди точечных Д. резко различающимися атомными конфигурациями обладают междоузельные атомы. Они могут занимать междоузлия разл. симметрии (окта- и тетраэдрические в кубич. решётках), образовывать с одним из атомов решётки "гантели" разной ориентации либо обладать конфигурацией краудиона.

Ядру дислокации с вектором Бюргерса b бывает энергетически выгодно расщепиться на неск. частичных дислокаций с векторами Бюргерса

, соединённых полосками из дефектов упаковки, к-рые лежат в плоскости скольжения или расположены под углом к ней. Особенно сложной бывает конфигурация ядра расщеплённой дислокации в объёмноцентриров. кубических и гексагональных кристаллах, а также в кристаллах с элементарной ячейкой, содержащей много атомов разных сортов.

Зарядовое состояние Д. Удаление иона при образовании вакансии, замещение иона примесным атомом иной валентности, внесение "лишнего" атома при образовании междоузельного атома, смещение ионных остовов при образовании дислокаций и поверхностных Д. вызывают появление нескомпенсиров. зарядов на Д. В металлах эти заряды в значит. мере экранируются путём перераспределения электронов проводимости. Однако экранировка оказывается неполной и вакансии имеют небольшой отрицат., а междоузельные атомы - положит. заряды. В случае краевой дислокации неполное экранирование ионного заряда, вызванного нелинейным увеличением объёма

, вызывает появление результирующего заряда ~0,1 е на атомную плоскость (е - заряд электрона). В металлич. поликристаллах неполное экранирование вызывает также появление отрицат. заряда на границах зёрен.

В неметаллич. кристаллах точечные Д. имеют в запрещённой зоне локальные энергетич. уровни, к-рые могут быть либо пустыми (если они лежат выше уровня Ферми), либо заполненными одним или неск. электронами. В результате возникает множество центров, определяющих оптич., электрич., магн. и др. свойства ионных и полупроводниковых кристаллов (см., напр., Центры окраски).

В ионных кристаллах с заряженными точечными Д. электронейтральность обеспечивается тем, что Д. образуют пары - либо вакансия и междоузельный ион (дефекты Френкеля), либо 2 вакансии противоположного заряда (дефекты Шоттки), либо 2 межузельных иона (антипод дефекта Шоттки). Ядро дислокации в ионных кристаллах обычно не несёт результирующего заряда, т. к. на оси дислокации в плоскости скольжения разноимённые иолы, как правило, чередуются. Однако на ступеньках это чередование нарушено и ступеньки на дислокации несут заряд, равный, напр., в кристаллах типа

, так что эффективный линейный заряд дислокации определяется линейной плотностью ступенек (а также адсорбированными дислокацией заряженными точечными Д.) и может доходить до 0,1 е на 1 атомную плоскость. В ядре краевых дислокаций в полупроводниковых кристаллах с решёткой алмаза имеются цепочки ненасыщенных связей (ловушки). При захвате электронов ловушками дислокации также приобретают заряд.

Подвижность Д. Движение точечных Д. по кристаллу происходит путём термически активированных атомных перестроек, характеризуемых энергией активации (миграции) U_m. Она варьируется обычно от 0,1 эВ (междоузельные атомы) до 1- 2 эВ (вакансии). Исключением является безактивационное движение гантелей, динамич. краудионов и каналированных атомов под действием импульса, переданному атому при столкновении с быстрой частицей или в ударной волне (см. Каналирование заряженных частиц).

Скольжение дислокаций происходит под действием механич. напряжений

. При

0,01 G скорость дислокации определяется термически активированным преодолением разл. препятствий и равна:

где

- пропорц. площади, "заметаемой" дислокац. сегментом после преодоления препятствия, а энергия активации U_m зависит от вида препятствия. При больших

скорость дислокации определяется динамич. торможением, обусловленным взаимодействием с фононами и электронами проводимости: , где В - т. н. константа торможения, равная при комнатной температуре 10^-4-10^-3 (пуаз). Т.н. переползание дислокации определяется механич. и осмотич. силами (вторая зависит от концентрации точечных Д.) и лимитируется диффузионным переносом массы к дислокации или от неё.

Миграция поверхностных Д. (границ зёрен) по нормали к поверхности обычно термически активирована и связана с перестройкой (поворотом) небольших групп атомов. При двойниковании и бездиффузионных фазовых превращениях Д. перемещается за счёт скольжения двойникующих или межфазных дислокаций, образующих уступы на границе.

Образование Д. в их наблюдение. Механизмы образования точечных Д.: смещение атома из узла в результате механич. воздействий, напр. в связи с соударениеи с быстрой частицей (см. Радиационные дефекты); перемещение ступенек на движущихся дислокациях; термоактивиров. зарождение Д. на внеш. поверхности кристалла, на дислокациях и поверхностных Д. внутри кристалла; рождение пар Френкеля при аннигиляции экситонов в неметаллич. кристаллах.

Зарождение дислокаций происходит при слиянии точечных Д., в процессе кристаллизации, при облучении быстрыми частицами и др. Образование поверхностных Д. связано с эпитаксиальной кристаллизацией,

Зарождением и ростом двойников или новых зёрен (при рекристаллизации или фазовом превращении).

Атомная структура ядер дислокаций, точечных и поверхностных Д. наблюдается с помощью автоионного микроскопа (см. Ионный проектор ),методами электронной микроскопии и др. Дифракционные методы (электронография, рентгеновский структурный анализ, нейтронография структурная)используются для определения атомных конфигураций ядер и упругих полей Д. Ряд деталей установлен моделированием на ЭВМ.

Влияние Д. на свойства кристаллов. Д. влияют практически на все свойства кристалла. Всецело определяются ими т. н. структурно-чувствительные свойства: диффузионные явления (движение точечных Д.), пластичность (движение дислокаций и точечных Д.), разрушение (зарождение и рост трещин при объединении дислокаций), рекристаллизация, двойникование, фазовые превращения (движение межзёренных и межфазных границ), радиационные явления (изменения свойств кристаллов под действием быстрых частиц, создающих точечные Д.), электрические, оптические и др. свойства, обусловленные взаимодействием носителей заряда с Д.

В атомной структуре аморфных твёрдых тел (стёклах, аморфных металлах и сплавах, аморфных и стеклообразных полупроводниках)наблюдаются области размером ~а с аномальным взаимным расположением и плотностью атомов, обладающие собств. внутр. напряжениями, избыточным объёмом, подвижностью, т. е. рядом свойств точечных Д. и дислокаций.

Литература по дефектам

Знаете ли Вы, что в 1965 году два американца Пензиас (эмигрант из Германии) и Вильсон заявили, что они открыли излучение космоса. Через несколько лет им дали Нобелевскую премию, как-будто никто не знал работ Э. Регенера, измерившего температуру космического пространства с помощью запуска болометра в стратосферу в 1933 г.? Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.