Kristalldefekter

Kristalldefekter kallas varje stabil överträdelse av kristallens translationella symmetri  - den ideala periodiciteten för kristallgittret . Beroende på antalet dimensioner, där defektens dimensioner väsentligt överstiger det interatomära avståndet, delas defekterna in i nolldimensionell (punkt), endimensionell (linjär), tvådimensionell (platt) och tredimensionell ( bulk) defekter [1] .

Nolldimensionella (punkt)defekter

Nolldimensionella (eller punkt- ) kristalldefekter inkluderar alla defekter som är associerade med förskjutning eller utbyte av en liten grupp atomer (inneboende punktdefekter), såväl som med föroreningar. De uppstår under uppvärmning, dopning, under kristalltillväxt och som ett resultat av exponering för strålning . De kan också införas som ett resultat av implantation . Egenskaperna hos sådana defekter och mekanismerna för deras bildande är de mest studerade, inklusive rörelse, interaktion, förintelse och förångning .

Komplex som består av flera punktdefekter observeras också ofta i kristaller, till exempel: en Frenkel-defekt (vakans + inneboende interstitiell atom), divakans (vakans + vakans), A-center (vakans + syreatom i kisel och germanium), etc.

Termodynamik för punktdefekter

Punktdefekter ökar kristallens energi, eftersom en viss energi spenderades på bildandet av varje defekt. Elastisk deformation orsakar en mycket liten del av vakansbildningsenergin, eftersom jonförskjutningarna inte överstiger 1 % och motsvarande deformationsenergi är tiondelar av en eV . Under bildandet av en interstitiell atom kan förskjutningarna av närliggande joner nå 20% av det interatomära avståndet, och energin för elastisk deformation av gittret som motsvarar dem kan nå flera eV. Huvuddelen av energin som spenderas på bildandet av en punktdefekt är förknippad med en kränkning av periodiciteten hos atomstrukturen och bindningskrafterna mellan atomer. En punktdefekt i en metall interagerar med hela elektrongasen. Att ta bort en positiv jon från en nod är liktydigt med att införa en negativ punktladdning; ledningselektroner stöts bort från denna laddning, vilket orsakar en ökning av deras energi. Teoretiska beräkningar visar att energin för bildandet av en vakans i fcc koppargittret är cirka 1 eV, och energin för en interstitiell atom är från 2,5 till 3,5 eV.

Trots ökningen av kristallens energi under bildandet av sina egna punktdefekter, kan de vara i termodynamisk jämvikt i gittret, eftersom deras bildning leder till en ökning av entropin. Vid förhöjda temperaturer kompenserar ökningen av entropitermen TS för den fria energin på grund av bildandet av punktdefekter för ökningen av den totala energin för kristallen U, och den fria energin visar sig vara minimal.

Jämviktskoncentration av lediga platser:

där E 0  är energin för bildandet av en vakans, k är Boltzmann-konstanten, T är den absoluta temperaturen. Samma formel gäller för interstitiella atomer. Formeln visar att koncentrationen av vakanser starkt bör bero på temperaturen. Beräkningsformeln är enkel, men exakta kvantitativa värden kan endast erhållas genom att känna till värdet på defektbildningsenergin. Det är mycket svårt att beräkna detta värde teoretiskt, så man får nöja sig med endast ungefärliga uppskattningar.

Eftersom defektbildningsenergin ingår i exponenten, orsakar denna skillnad en enorm skillnad i koncentrationen av vakanser och interstitiella atomer. Sålunda, vid 1000°C i koppar, är koncentrationen av interstitiella atomer endast 10–39 , vilket är 35 storleksordningar lägre än koncentrationen av vakanser vid denna temperatur. I täta packningar, som är typiska för de flesta metaller, är det mycket svårt för mellanliggande atomer att bildas, och vakanser i sådana kristaller är de viktigaste punktdefekterna (föroreningsatomer räknas inte med).

Punktdefektmigrering

Atomer som oscillerar i rörelse utbyter ständigt energi. På grund av den slumpmässiga termiska rörelsen är energin ojämnt fördelad mellan olika atomer. Vid någon tidpunkt kan en atom ta emot ett sådant överskott av energi från sina grannar att den kommer att inta en närliggande position i gittret. Så här sker migrationen (rörelsen) av punktdefekter i volymen av kristaller.

Om en av atomerna som omger den lediga platsen flyttar till den lediga platsen, kommer den vakansen på motsvarande sätt att flytta till sin plats. Successiva elementära rörelser av en viss vakans utförs av olika atomer. Figuren visar att i ett lager av tätpackade kulor (atomer), för att flytta en av kulorna till en ledig plats, måste den trycka isär kulorna 1 och 2. är minimal måste atomen passera genom ett tillstånd med ökat potentiell energi, övervinna energibarriären. För detta är det nödvändigt för atomen att ta emot ett överskott av energi från sina grannar, som den förlorar, "klämmer" in i en ny position. Höjden på energibarriären Em kallas aktiveringsenergin för vakansmigrering .

Källor och sänkor för punktdefekter

Huvudkällan och sänkan för punktdefekter är linjära och ytdefekter - se nedan. I stora perfekta enkristaller är nedbrytningen av en övermättad fast lösning av inneboende punktdefekter möjlig med bildandet av den så kallade. mikrodefekter.

Komplex av punktdefekter

Den enklaste uppsättningen av punktdefekter är en divakans (divakans): två vakanser belägna på angränsande gallerplatser. Ett annat välkänt komplex är det så kallade Frenkel-paret - en atom i mellanrummen och dess närliggande vakans. En viktig roll i metaller och halvledare spelas av komplex som består av två eller flera föroreningsatomer, såväl som föroreningsatomer och inneboende punktdefekter. I synnerhet kan sådana komplex avsevärt påverka styrkan, elektriska och optiska egenskaper hos fasta ämnen.

Endimensionella defekter

Endimensionella (linjära) defekter är kristalldefekter, vars storlek i en riktning är mycket större än gitterparametern och i de andra två - jämförbar med den. Linjära defekter inkluderar dislokationer och disklinationer . Allmän definition: dislokation är gränsen för ett område med ofullständig skjuvning i en kristall. Dislokationer kännetecknas av en skjuvvektor (Burgers vektor) och en vinkel φ mellan den och dislokationslinjen. När φ=0 kallas dislokationen en skruvdislokation; vid φ=90° - marginal; i andra vinklar blandas det och sedan kan det brytas ned till spiral- och kantkomponenter. Dislokationer uppstår i processen med kristalltillväxt; under dess plastiska deformation och i många andra fall. Deras fördelning och beteende under yttre påverkan bestämmer de viktigaste mekaniska egenskaperna, i synnerhet, såsom styrka, plasticitet, såväl som elektrisk ledningsförmåga, etc. En disklinering är gränsen för ett område med ofullständig rotation i en kristall. Den kännetecknas av en rotationsvektor.

Tvådimensionella defekter

Den huvudsakliga defekten som är representativ för denna klass är kristallytan. Andra fall är materialets korngränser, inklusive lågvinkelgränser (som representerar sammanslutningar av dislokationer), tvillingplan och fasseparationsytor.

3D-defekter

Bulkdefekter. Dessa inkluderar ansamlingar av vakanser som bildar porer och kanaler; partiklar som sätter sig på olika defekter (dekorering), till exempel gasbubblor, moderlutbubblor; ansamlingar av föroreningar i form av sektorer (timglas) och tillväxtzoner. Som regel är dessa porer eller inneslutningar av föroreningsfaser. De är ett konglomerat av många defekter. Ursprung - brott mot kristalltillväxtregimer, sönderdelning av en övermättad fast lösning, kontaminering av prover. I vissa fall (till exempel under utfällningshärdning) införs volymetriska defekter avsiktligt i materialet för att modifiera dess fysikaliska egenskaper.

Metoder för att bli av med defekter

Den huvudsakliga metoden som hjälper till att bli av med defekter i kristallen är zonsmältningsmetoden . Denna metod är väl tillämpbar på kisel. En liten del av kristallen smälts för att därefter omkristallisera smältan. Även bara glödgning används. Defekter vid förhöjd temperatur har en hög diffusionskoefficient . Vakanser kan komma upp till ytan, och därför talar man om avdunstning av defekter.

Användbara defekter

Under plastisk deformation av metaller (till exempel smide , valsning ) genereras många dislokationer, olika orienterade i rymden, vilket gör det svårt för kristallen att bryta längs dislokationsnätverket. Således ökar metallens styrka , men samtidigt minskar duktiliteten .

I artificiellt odlade rubiner , safirer för lasrar , tillsätts föroreningar ( Cr , Fe , Ti ) av element - färgcentra som är involverade i genereringen av koherent ljus.

Se även

Anteckningar

  1. ↑ Orlov A. N. Defekter // Physical Encyclopedia / Kap. ed. A. M. Prokhorov . - M .: Soviet Encyclopedia , 1988. - T. 1. - S. 595-597. - 704 sid. — 100 000 exemplar.

Litteratur