Энергетические дефекты

Кроме структурных дефектов, рассмотренных выше, большое значение имеют также энергетические дефекты — фононы — квазичастицы, представляющие собой кванты энергии упругих колебаний кристаллической решетки. Звуковые волны в кристаллах рассматриваются как распространение фононов, тепловые колебания кристаллической решетки — как термическое возбуждение фононов.

Атомы в твердом теле совершают тепловые колебания около равновесных положений в узлах решетки. Локальные искажения регулярности кристаллической решетки, вызываемые тепловыми колебаниями, изменяются по величине с изменением температуры. С увеличением температуры возрастает амплитуда колебаний и, следовательно, степень локального искажения регулярности кристаллической решетки.

Особенности дефектов кристаллической структуры в неметаллических материалах

Среди неметаллических кристаллов можно выделить три группы: ионные (полярные), ковалентные (валентные, гомеополярные) и молекулярные.

В молекулярных кристаллах (кристаллы инертных газов — неона, аргона, криптона, ксенона, а также кристаллы из насыщенных молекул, таких как 02, Н2,I2, Н20, НС1, СО, СН4, NH3 и др.) силы связи являются силами Ван- дер-Ваальса, возникающими между близко расположенными нейтральными атомами и молекулами. Силами Ван-дер-Ваальса связаны между собой молекулы большинства органических кристаллов.

Связь Ван-дер-Ваальса (подробнее см. разд. 2.1) — наиболее слабая химическая связь, которая сводится к электростатическому взаимодействию между атомами и молекулами в веществе. Она обусловлена взаимным влиянием полей электронов, движущихся вокруг ядер соседних атомов. Силы Ван-дер-Ваальса быстро убывают с увеличением расстояния между атомами.

Ионные кристаллы (например, хлорид натрия, хлорид цезия и др.) состоят из положительных и отрицательных ионов, образующих кристаллическую решетку. Ионная связь (см. также разд. 2.1) обусловлена кулоновским электростатическим взаимодействием противоположно заряженных ионов.

Электрический заряд точечных дефектов в ионных кристаллах экранирован значительно слабее, чем в металлах, в которых электронный газ сильно экранирует несовершенства кристаллической структуры. Вследствие этого дефекты структуры в металлах не оказывают существенного влияния, например, на электрические и оптические свойства, в то время как в ионных кристаллах между ионами и электронами, с одной стороны, и дефектами — с другой, осуществляется сильное электростатическое взаимодействие.

Данное взаимодействие является причиной большого влияния дефектов (точечных дефектов, дислокаций) на электрические и оптические свойства ионных кристаллов. В то же время дислокации в ионных кристаллах, способствующие образованию различных центров, оказывают менее существенное влияние на механические свойства данных кристаллов, чем металлов.

Ковалентная связь образуется в результате обобществления валентных электронов соседних атомов и обусловлена обменными силами взаимодействия. При этом электронные облака соседних атомов образуют единое облако, принадлежащее одновременно обоим атомам, и каждый из атомов имеет стабильную двух- или восьмиэлектронную конфигурацию внешней электронной оболочки. Ковалентная связь является направленной (образуется в направлении наибольшей плотности электронного облака), анизотропной.

К ковалентным кристаллам относятся многие важные полупроводники, такие как кремний, германий, карбид кремния и др. Наличие в ковалентных кристаллах строго направленных валентных связей определяет низкую подвижность в них дислокаций, а значит, и хрупкость полупроводников при обычных температурах. Дислокации в полупроводниках приобретают подвижность лишь при высоких температурах (Т~ 2/3 Гпл, где Тпл — температура плавления). Наличие структурных дефектов влияет слабо на механические свойства, но оказывает сильное влияние на электрические свойства ковалентных кристаллов.

Далее ограничимся рассмотрением кристаллов только с ионной и ковалентной связью.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >