2.19. Собственные точечные дефекты в ионных кристаллах

Кристаллическая решетка ионного кристалла образована находящимися в узлах противоположно заряженными ионами. В целом в равновесном состоянии ионный кристалл (даже несовершенный) должен оставаться элек- тронейтральным, причем стремление к сохранению электронейтральности приводит к тому, что точечные дефекты в ионных кристаллах образуются парами.

На рисунке 2.46 показаны собственные точечные дефекты в типичной для ионных кристаллов решетке типа NaCl: дефект Шоттки (пара разноименно заряженных вакансий) и дефект Френкеля, или пара Френкеля (разноименно заряженные вакансия и междоузельный атом).

Собственные точечные дефекты в ионном кристалле

Рис. 2.46. Собственные точечные дефекты в ионном кристалле: а — дефект Шоттки (пара из катионной и анионной вакансий); б — пара Френкеля (вакансия и противоположно заряженный междоузельный атом)

Объяснить, почему количество противоположно заряженных вакансий в ионном кристалле примерно одинаково, можно следующим образом (рис. 2.47). В общем случае энергии образования катионной (вакансии катиона) и анионной (вакансии аниона) вакансий в ионном кристалле неодинаковы. Например, в кристалле хлорида натрия (на рис. 2.47, а схематически изображено правильное чередование зарядов в его совершенной структуре) энергия образования катионной вакансии (образованной уходом из узла иона Na+) меньше, чем анионной вакансии (образованной уходом из узла иона С1~). Поэтому при высокой температуре в нем сначала будет образовываться больше катионных вакансий, чем анионных. Ионы Na+, удаленные из своих узловых позиций в объеме кристалла, переходят в узловые позиции нового адатомного слоя на поверхности (рис. 2.47, б).

Схема образования дефектов Шоттки в кристалле хлорида натрия

Рис. 2.47. Схема образования дефектов Шоттки в кристалле хлорида натрия: а — идеальная структура; б — отдельные ионы натрия вышли из узлов решетки в объеме и перешли на поверхность, образуя новый атомный слой; в — возникшее между поверхностью и внутренними областями кристалла электростатическое поле «вытягивает» из объема ионы хлора в количестве, равном числу ранее вышедших на поверхность ионов натрия; при этом обеспечивается электронейтральность кристалла

При этом между поверхностью и внутренними областями кристалла возникает электростатическое поле (разность потенциалов), препятствующее образованию новых катионных вакансий и облегчающее образование вакансий противоположного знака — анионных. Электронейтральность кристалла может быть сохранена за счет образования того же самого числа вакансий в подрешетке хлора (рис. 2.47, в).

Таким образом, в ионном кристалле энергетически выгодно образование равного числа положительных и отрицательных вакансий. Следовательно, одним из типичных дефектов в ионном кристалле является пара противоположно заряженных вакансий (по одной из каждой подрешетки), называемая дефектом Шоттки.

Образование дефектов Шоттки уменьшает плотность кристалла, так как атомы, уходящие из узлов кристаллической решетки, выходят на поверхность и застраивают там новый атомный слой, увеличивая объем кристалла.

Отметим, что в металлах и кристаллах элементарных полупроводников (кремний, германий) дефект Шоттки — это одиночная вакансия.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >