Несовершенства и дефекты кристаллической решетки

Рассмотренные свойства симметрии кристаллических систем относятся к идеальным кристаллам с совершенной внутренней структурой. На практике приходится иметь дело с реальными структурами, которые имеют мозаичное строение. Обычно кристаллы построены из блоков, лишь приблизительно параллельных друг другу. Размеры блоков колеблются в диапазоне 10 6—10 8 м, а величины углов между ними — от нескольких секунд до нескольких минут.

Поскольку кристаллическая решетка в соприкасающихся блоках имеет различную ориентацию, то возникает переходный слой, в котором решетка постепенно переходит от одной ориентации к другой. Еще большему искажению подвергаются решетки у границ зерен поликристаллов, углы между которыми достигают десятков градусов.

Границы зерен и блоков являются носителями избыточной свободной энергии, обусловливающей повышенную скорость протекания химических реакций полиморфных превращений, диффузии и других явлений, требующих энергетических затрат в кристаллах [6].

Дефекты по Френкелю. При любой температуре в кристалле имеются атомы, энергия которых во много раз больше или меньше среднего значения, отвечающего закону равномерного распределения энергии по степеням свободы. Атомы, обладающие высокой энергией, могут перейти из состояния равновесия в новое состояние, например, из одной элементарной ячейки в другую или в междоузлия. Этот процесс сопровождается возникновением вакантного узла (вакансии) и атома в междоузлии (дислоцированный атом). Такие дефекты в регулярной структуре кристалла называются дефектами по Френкелю. Их концентрация «ф определяется следующим соотношением:

где /св — постоянная Больцмана; Еф — энергия внедрения в междоузлие; N— число узлов решетки в данном объеме кристалла; А — целое число, характеризующее количество междоузлий в расчете на 1 атом.

Как атомы в междоузлиях, так и вакансии не остаются локализованными в одном месте, а диффундируют в решетке. Диффузия дислоцированного атома происходит путем перехода из одного междоузлия в другое. Дефекты по Френкелю — аналог процесса внутреннего испарения атомов из узлов кристаллической решетки в объеме кристалла.

Дефекты по Шогптки. Помимо внутреннего испарения возможно полное или частичное испарение атомов с поверхности кристалла. При полном испарении атом покидает поверхность кристалла и переходит в новую фазу — пар. При частичном испарении атом переходит с поверхности кристалла в положение над поверхностью.

В том и другом случаях в поверхностном слое кристалла образуются вакансии. При заполнении глубже лежащим атомом вакансия втягивается внутрь кристалла и далее диффундирует по его объему. Этим вакансиям нельзя поставить в соответствие дислоцированные атомы, поскольку их образование не сопровождается одновременно внедрением атома в междоузлие. Такого рода вакансии называются дефектами по Шоттки.

В реальном кристалле, содержащем N узлов, равновесное количество вакансий Шоттки определяется согласно выражению

где — энергия образования вакансии, причем Ф (для алюминия Еш = 0,75 эВ).

Из формулы (1.20) для этого случая при Т = 300 К получим пш = Ю18 м ’, при Т = 923 К — иш = Ю20 м ’. Подобная концентрация дефектов по Шоттки характерна для всех металлов вблизи их точек плавления.

Помимо вышеприведенных дефектов в кристаллах существенную роль играют примеси. Они являются одним из наиболее распространенных дефектов в реальных кристаллах. Наиболее чистые вещества содержат до 10 9 % примесей, что соответствует со- держанию 10 атомов примеси в 1 м вещества. В зависимости от природы примеси могут находиться в кристалле либо в растворенном состоянии, либо в виде более или менее крупных включений.

Процесс растворения состоит в том, что примесные атомы внедряются в промежутки между атомами кристалла или замещают часть этих атомов, размещаясь в узлах кристаллической решетки. В первом случае они образуют твердый раствор внедрения, во втором — твердый раствор замещения.

В полупроводниковых кристаллах примеси создают новые энергетические уровни и приводят к появлению примесной проводимости.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >