ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Точечные дефекты кристаллической решетки из "Введение в физику твердого тела " Идеальные кристаллы строго периодичны. Однако такая строгая периодичность в реальной ситуации трудно достижима. Обычно кристаллы содержат хотя бы небольшое количество мест, в которых строгая периодичность нарушена и образуются дефектные места или статические дефекты. [c.228] С атомными дефектами структуры могут сочетаться дефекты в распределении заряда. Роль подобных дефектов особенно существенна в диэлектриках и полупроводниках, поскольку в этих материалах в большой мере возможно появление флуктуаций электронной плотности [48]. [c.229] Одной из форм дефектов решетки являются рассмотренные выше тепловые колебания атомов, которые могут взаимодействовать со статическими дефектами решетки и в ряде случаев стимулировать их появление. В общем случае под дефектом можно понимать любое элементарное возбуждение кристалла, а состояние реального кристалла — возбужденным состоянием. [c.229] В этой главе мы ограничимся кратким рассмотрением структурных характеристик статических дефектов непримесного типа, природы и факторов образования некоторых из них, влияния на некоторые физические свойства. Подробнее со всеми этими и смежными вопросами можно познакомиться в обширнейшей литературе [2—5, 49—52]. [c.229] Характер равновесных конфигураций атомов при конечных температурах определяется минимумом свободной энергии. Поэтому для того, чтобы установить, будет ли при этих температурах равновесен идеальный кристалл или будет устойчиво расположение атомов, включающее образование некоторого числа дефектов (определенного типа), необходимо рассчитать свободную энергию кристалла, содержащего определенное количество дефектов, и найти условия, при которых свободная энергия будет минимальна. [c.229] Один дефект может быть расположен Nr способами, и, стало быть, при наличии одного дефекта возникает Nr конфигураций размещения атомов. Если в системе имеется Пг дефектов, то для первого из них возникают Nr конфигураций, для второго — Nr—1).. .., для Пг-го — Nr—Пг+ ) конфигураций. Всего, таким образом, Пг дефектов дают Nr Nr—1) (Л /-—2)... Nr—Пг+1) конфигураций. [c.230] если Uf,r 0, то в термодинамически равновесном состоянии в кристалле будут присутствовать дефекты, концентрация которых будет зависеть от Uf r, Т и ve/vr. Если же t/f,r 0, то кристалл с дефектами в равновесии существовать не может, так как Сг станет больше 1. [c.232] Сг=10 5, а при Uf,z= 0 эВ и тех же Г и V Сг=10 °. Это означает, что практическое значение имеет учет равновесной концентрации дефектов, энергия которых не превышает нескольких электрон-вольт. Более слабую роль играют эффекты изменения частоты колебаний, особенно если учесть, что изменение частоты vs/vr более чем на 10% маловероятно. [c.232] Экспериментальное исследование кинетики и температурной зависимости физических характеристик, обусловливаемых дефектами (например, электросопротивления, постоянной решетки, теплосодержания и т. д.), и теоретический анализ полученных данных показали, что основными типами точечных дефектов являются вакансии, межузельные атомы и состоящие из них комплексы. Энергия образования вакансии, определяемая работой по переносу атома из узла решетки на поверхность кристалла, составляет величину порядка 1 эВ (для благородных металлов, например), а межузельного атома — несколько эВ (для Си — 3,4 эВ). Поэтому появление и вакансий и межузельных атомов приводит к повышению термодинамической устойчивости системы, если концентрация и энергия образования дефектов отвечают соотношению (10.17). При этом очевидно, что концентрация одиночных вакансий должна быть заметно выше концентрации межузельных атомов. [c.232] К настоящему времени выявлена структура некоторых комплексов дефектов. Так, помимо одиночных в металлах достаточно часто возникают дивакансии (бивакансии). Количество вакансий, объединяемых в пары, например, вблизи температуры плавления, может достичь —10 з от общего числа вакансий. [c.233] Важная особенность дивакансий — их большая подвижность, причина которой ясна из рис. 10.1. Рисунок показывает, что переходу, например, атома А в одиночный вакантный узел В мешают оба соседа, атомы С и D. Переходу же атома А в положение В при наличии дивакансии мешает только один атом В. В связи с большой подвижностью дивакансии играют большую роль в диффузии в кристаллах. [c.233] Присоединение к дивакансии в ГЦК решетке третьей вакансии также энергетически выгодно. При этом три-вакансии могут иметь различные конфигурации. Чаще всего это — плоские (три вакансии лежат в одной плоскости) или тетраэдрические (четыре соседних вакантных узла образуют тетраэдр, в центр которого перешел атом из занятой им ранее одной из вершин тетраэдра) конфигурации. [c.233] Образование вакансий сопряжено не только с освобождением какого-либо узла решетки от атома, но и со смещением окружающих атомов из своих прежних положений. Проведенные для Си расчеты показали, что ближайшие соседи вакансии смещены в сторону вакансии примерно на 0,016 а, а следующие соседи — в противоположную сторону (на малую величину). [c.233] Образование дефектов в ионных кристаллах сопряжено с соблюдением дополнительного условия — необходимости сохранения электронейтральности кристалла. В этом случае возникают либо две одиночные вакансии противоположного знака (дефект Шот-тки), либо вакансия и межузельный атом (дефект Френкеля). При этом тип возникающих дефектов определяется спецификой кристалла. Например, для чистых щелочно-галоидных кристаллов типичны дефекты по Шоттки, а для галогенидов серебра — дефекты по Френкелю. Укажем, что если при образовании дефектов по Шоттки плотность кристаллов уменьшается, то при образовании дефектов по Френкелю она остается неизменной. [c.233] Возникновение межузельных атомов сопряжено с раздвиже-нием атомов решетки. Если при образовании вакансий атомы смещаются примерно на 2%, то при образовании межузельного атома — на 12%. Избыточный объем за счет одиночных межузельных атомов составляет —2,5 атомного объема. Он заметно уменьшается при образовании скоплений межузельных атомов. [c.235] Выше уже указывалось, что кристаллы с точечными дефектами в определенном количестве могут быть термодинамически равновесны. Однако в ряде случаев возникают и избыточные неравновесные точечные дефекты. Различают три основных способа, с помощью которых дефекты могут быть созданы быстрое охлаждение от высоких до сравнительно низких температур (закалка) дефектов, которые были равновесны до закалки, пластическая деформация, облучение быстрыми частицами. Возникающие в этих случаях типы точечных дефектов, как правило, те же, что и вблизи термодинамического равновесия. Однако относительные доли каждого типа дефектов могут существенно отличаться от характерных для равновесия. Поэтому в изучении дефектов решетки особую роль играют экспериментальные методы, такие, как изучение электросопротивления (зависимости его от температуры и времени), рассеяния рентгеновских лучей и нейтронов, зависимости теплосодержания от температуры и времени, механических свойств, ядерного гамма-резонанса, аннигиляции позитронов и т. д. [c.235] Своеобразие точечных дефектов в ионных кристаллах состоит в возможном захвате вакансиями (или иными дефектами) электронов, результатом чего является заметное изменение электронной структуры, появление дополнительных локальных энергетических уровней, изменяющих условия поглощения электромагнитного излучения. Это приводит к окрашиванию прозрачных ионных кристаллов. Весьма распространенным типом дефектов подобного типа являются F-центры окраски, наблюдающиеся в щелочно-галоидных кристаллах и представляющих собой образование, состоящее из электрона и удерживающей его анионной вакансии. Помимо F-центров окраски в ионных кристаллах появляются и олее сложные образования, например комплексы дырка—вакансия, комбинации f-центров и т. д. [c.235] Вернуться к основной статье