Vady krystalů

Krystalové defekty se nazývají jakékoli stabilní porušení translační symetrie krystalu  - ideální periodicita krystalové mřížky . Podle počtu rozměrů, ve kterých rozměry defektu výrazně přesahují meziatomovou vzdálenost, se defekty dělí na nulové (bodové), jednorozměrné (lineární), dvourozměrné (ploché) a trojrozměrné ( hromadné) vady [1] .

Nulové (bodové) defekty

Nulové (nebo bodové ) krystalové defekty zahrnují všechny defekty, které jsou spojeny s přemístěním nebo nahrazením malé skupiny atomů (vnitřní bodové defekty), stejně jako s nečistotami. Vznikají při zahřívání, dopingu, při růstu krystalů a v důsledku ozáření . Mohou být také zavedeny jako výsledek implantace . Vlastnosti takových defektů a mechanismy jejich vzniku jsou nejvíce prozkoumané, včetně pohybu, interakce, anihilace a vypařování .

V krystalech jsou také často pozorovány komplexy skládající se z několika bodových defektů, například: Frenkelův defekt (vakance + vnitřní intersticiální atom), divakance (vakance + vakance), A-centrum (vakance + atom kyslíku v křemíku a germaniu) atd.

Termodynamika bodových defektů

Bodové defekty zvyšují energii krystalu, protože na vznik každého defektu byla vynaložena určitá energie. Elastická deformace způsobuje velmi malý zlomek energie tvorby vakancí, protože posuny iontů nepřesahují 1 % a odpovídající deformační energie jsou desetiny eV . Při tvorbě intersticiálního atomu mohou posunutí sousedních iontů dosáhnout 20 % meziatomové vzdálenosti a energie elastické deformace mřížky jim odpovídající může dosáhnout několika eV. Hlavní část energie vynaložené na vznik bodového defektu je spojena s porušením periodicity atomové struktury a vazebných sil mezi atomy. Bodová vada v kovu interaguje s celým elektronovým plynem. Odstranění kladného iontu z uzlu se rovná zavedení bodového záporného náboje; vodivostní elektrony jsou od tohoto náboje odpuzovány, což způsobuje zvýšení jejich energie. Teoretické výpočty ukazují, že energie tvorby prázdného místa v měděné mřížce fcc je asi 1 eV a energie intersticiálního atomu je od 2,5 do 3,5 eV.

Navzdory nárůstu energie krystalu při tvorbě jeho vlastních bodových defektů mohou být v mřížce v termodynamické rovnováze, neboť jejich vznik vede ke zvýšení entropie. Při zvýšených teplotách kompenzuje nárůst entropického členu TS volné energie v důsledku tvorby bodových defektů nárůst celkové energie krystalu U a volná energie se ukazuje jako minimální.

Rovnovážná koncentrace volných míst:

kde E 0  je energie vzniku jednoho vakanátu, k je Boltzmannova konstanta, T je absolutní teplota. Stejný vzorec platí pro intersticiální atomy. Vzorec ukazuje, že koncentrace volných míst by měla silně záviset na teplotě. Výpočtový vzorec je jednoduchý, ale přesné kvantitativní hodnoty lze získat pouze znalostí hodnoty energie tvorby defektu. Tuto hodnotu je velmi obtížné teoreticky vypočítat, takže se člověk musí spokojit pouze s přibližnými odhady.

Protože energie tvorby defektu je zahrnuta v exponentu, tento rozdíl způsobuje obrovský rozdíl v koncentraci vakancí a intersticiálních atomů. Při 1000 °C v mědi je tedy koncentrace intersticiálních atomů pouze 10–39 , což je o 35 řádů nižší než koncentrace vakancí při této teplotě. V uzavřených obalech, které jsou typické pro většinu kovů, je velmi obtížné vytvořit intersticiální atomy a vakance v takových krystalech jsou hlavními bodovými defekty (nepočítáme-li atomy nečistot).

Migrace bodových defektů

Atomy kmitající v pohybu si neustále vyměňují energii. V důsledku nahodilosti tepelného pohybu je energie mezi různými atomy rozdělena nerovnoměrně. V určitém okamžiku může atom přijmout od svých sousedů takový přebytek energie, že zaujme sousední pozici v mřížce. Tak dochází k migraci (pohybu) bodových defektů v objemu krystalů.

Pokud se jeden z atomů obklopujících prázdné místo přesune na prázdné místo, pak se volné místo odpovídajícím způsobem přesune na své místo. Po sobě jdoucí elementární akty pohybu určitého prázdného místa jsou prováděny různými atomy. Obrázek ukazuje, že ve vrstvě těsně nahromaděných kuliček (atomů), aby se jedna z kuliček přesunula na volné místo, musí od sebe odtlačit kuličky 1 a 2. je minimální, atom musí projít stavem se zvýšeným potenciální energie, překonat energetickou bariéru. K tomu je nutné, aby atom přijal od svých sousedů přebytek energie, kterou ztrácí a „vtlačí“ do nové polohy. Výška energetické bariéry Em se nazývá aktivační energie migrace vakancí .

Zdroje a záchyty bodových vad

Hlavním zdrojem a propadem bodových vad jsou lineární a plošné vady - viz dále. U velkých dokonalých monokrystalů je možný rozklad přesyceného tuhého roztoku intrinsických bodových defektů za vzniku t.zv. mikrodefekty.

Komplexy bodových defektů

Nejjednodušší soubor bodových defektů je divakance (divakance): dvě vakance umístěné v sousedních mřížových místech. Dalším známým komplexem je tzv. Frenkelův pár – atom v mezerách a jeho blízká vakance. Důležitou roli v kovech a polovodičích hrají komplexy sestávající ze dvou nebo více atomů příměsí, dále atomů příměsí a vnitřních bodových defektů. Takové komplexy mohou zejména významně ovlivnit pevnost, elektrické a optické vlastnosti pevných látek.

Jednorozměrné vady

Jednorozměrné (lineární) defekty jsou krystalové defekty, jejichž velikost je v jednom směru mnohem větší než mřížkový parametr a v ostatních dvou - srovnatelná s ním. Mezi lineární vady patří dislokace a disklinace . Obecná definice: dislokace je hranice oblasti neúplného smyku v krystalu. Dislokace jsou charakterizovány smykovým vektorem (Burgersův vektor) a úhlem φ mezi ním a dislokační čárou. Když φ=0, dislokace se nazývá šroubová dislokace; při φ=90° - okrajový; v jiných úhlech se promíchá a poté se může rozložit na šroubovicovou a okrajovou složku. Dislokace vznikají v procesu růstu krystalů; při jeho plastické deformaci a v mnoha dalších případech. Jejich rozložení a chování pod vnějšími vlivy určují nejdůležitější mechanické vlastnosti, zejména pevnost, plasticitu, ale i elektrickou vodivost atd. Disklinace je hranice oblasti neúplné rotace v krystalu. Je charakterizován vektorem rotace.

Dvourozměrné vady

Hlavní vadou reprezentující tuto třídu je povrch krystalu. Dalšími případy jsou hranice zrn materiálu, včetně nízkoúhlových hranic (představujících asociace dislokací), roviny dvojčat a povrchy fázové separace.

3D vady

Hromadné vady. Patří mezi ně akumulace volných míst, které tvoří póry a kanály; částice usazující se na různých defektech (zdobící), např. bublinky plynu, bublinky matečného louhu; hromadění nečistot ve formě sektorů (přesýpacích hodin) a růstových zón. Zpravidla se jedná o póry nebo inkluze fází nečistot. Jsou konglomerátem mnoha defektů. Vznik - porušení režimů růstu krystalů, rozklad přesyceného pevného roztoku, kontaminace vzorků. V některých případech (například při precipitačním vytvrzování) jsou do materiálu záměrně vnášeny objemové vady, aby se upravily jeho fyzikální vlastnosti.

Metody, jak se zbavit defektů

Hlavní metodou, která pomáhá zbavit se defektů krystalu, je metoda zónového tavení . Tato metoda je dobře použitelná pro křemík. Malá část krystalu se roztaví za účelem následné rekrystalizace taveniny. Používá se také pouhé žíhání. Vady při zvýšené teplotě mají vysoký difúzní koeficient . Volná místa mohou vyplout na povrch, a proto se mluví o vypařování defektů.

Užitečné vady

Při plastické deformaci kovů (například kování , válcování ) vznikají četné dislokace, různě orientované v prostoru, což znesnadňuje rozbití krystalu podél dislokační sítě. Pevnost kovu se tedy zvyšuje, ale současně se snižuje tažnost .

Do uměle pěstovaných rubínů , safírů pro lasery , příměsí ( Cr , Fe , Ti ) prvků se přidávají - barvicí centra , která se podílejí na generování koherentního světla.

Viz také

Poznámky

  1. ↑ Orlov A. N. Vady // Fyzická encyklopedie / Ch. vyd. A. M. Prochorov . - M .: Sovětská encyklopedie , 1988. - T. 1. - S. 595-597. - 704 s. — 100 000 výtisků.

Literatura