Наука и производство

Дефекты кристаллов

Как и все остальное в этом мире, кристаллы по своей природе обладают недостатками или тем, что мы часто называем «дефекты кристаллов». На самом деле, использование термина “дефект” – это своего рода неправильное название, так как эти свойства обычно намеренно используются для манипулирования механическими свойствами материала. Добавление легирующих элементов в металл является одним из способов введения дефекта кристалла. Тем не менее, термин “дефект” будет использоваться, просто имейте в виду, что кристаллические дефекты не всегда бывают плохими.

Дефекты кристаллов бывают следующих видов:

Кристаллические дефекты могут быть классифицированы на четыре категории в зависимости от их геометрии. К этим категориям относятся:

  • точечные дефекты в кристаллах, то есть места, где атом отсутствует или неправильно расположен в решётчатой структуре. К точечным дефектам относятся вакансии кристаллической решетки, самоинтенсивные атомы, атомы примесей-заменителей и интерстициальные атомы примесей.
  • линейные дефекты в кристаллах, представляющие собой группы атомов в нерегулярных положениях. Линейные дефекты обычно называют дислокациями.
  • плоские дефекты в кристаллах, которые являются границами между однородными областями материала. К плоским дефектам относятся границы зерен, дефекты штабелирования и внешние поверхности.

Если дислокация такова, что смещение атомов в плоскости в кристалле образует ступеньку или наклон, то это называется «винтовой дислокацией».  Винт в основном образует границу между скользящими и не скользящими атомами в кристалле. Таким образом, если бы можно было проследить периферию кристалла с винтовой дислокацией, конечная точка сместилась бы от начальной точки на одно пространство решетки. Линия дислокации винтовой дислокации является осью винта.

Если дислокация состоит из дополнительной плоскости атомов (или отсутствующей плоскости атомов), лежащих полностью внутри кристалла, то эта дислокация называется «петлей дислокации».  Линия дислокации петли дислокации образует замкнутую кривую, которая обычно имеет круглую форму, поскольку эта форма приводит к самой низкой энергии дислокации.

Дефекты кристаллов состоят из упаковки, границ зерен и двойниковых границ. «Дефект упаковки» относится к нарушению регулярности укладки плоскостей атомов в кристаллической решетке. Это обычно происходит, когда плоскость вставляется или удаляется из решетки. Вставка дополнительной плоскости в стекирование называется «внешней» ошибкой стекирования, в то время как удаление плоскости называется «внутренней» ошибкой стекирования.

Радиационные дефекты в кристаллах

Структурные дефекты, образующиеся при облучении кристаллов пучками ядерных частиц и интенсивном электромагнитном излучении, а именно, γ- и рентгеновском излучении. Структурные дефекты вызывают изменения механических и других физических свойств кристаллов. Восстановление этих свойств, то есть устранение радиационных дефектов в кристаллах, достигается за счет нагревания. Изучение радиационных дефектов в кристаллах началось в середине 1940-х годов с развитием реакторной технологии. Э. Вигнер в 1942 г. первым предположил возможность разрушения кристаллической решетки в результате вытеснения атомов из равновесных положений при взаимодействии с быстрыми нейтронами и фрагментами ядерного деления. Тогда же было предложено, что смещение атомов должно влиять на свойства материалов.

Проведено различие между простыми и сложными радиационными дефектами в кристаллах. Межкристаллы и вакансии являются простыми дефектами. Один из этих дефектов образуется, когда ядерная частица передает атому в точке решетки энергию, превышающую некоторую пороговую энергию ℰ0. Значение ℰ0 зависит от материала и равно нескольким десяткам электронных вольт. Эта энергия достаточна для преодоления силы связи между атомами и смещения атома на некоторое расстояние от его точки решетки. И пустота, и смещенный атом очень подвижны даже при комнатной температуре. Если они сталкиваются друг с другом в процессе движения через кристалл, то могут перекомбинироваться, двигаться к поверхности кристалла или оставаться неподвижными в дефектах, которые не вытекают из излучения, таких как примесные атомы, дислокации, границы зерен и расщепления. Если энергия, полученная атомом, превышает ℰ0 в десятки или сотни раз, то изначально смещенный атом может взаимодействовать с другими атомами по мере перемещения через кристалл и образовывать каскад смещенных атомов.

Наиболее полную информацию о радиационных дефектах в кристаллах получают при облучении материалов при очень низких температурах (всего несколько °K). Образующиеся радиационные дефекты “замораживаются”, и их движение через кристалл максимально замедляется. При постепенном нагревании часто наблюдается поэтапное восстановление исходных свойств материала. Изучение природы и скорости восстановления исходных свойств с течением времени при температуре, обеспечивающей наиболее резкое изменение свойств между двумя этапами (изотермический отжиг), позволяет определить энергию активации для движения радиационных дефектов и определить особенности преобразований свойств. Радиационные дефекты можно также наблюдать непосредственно, например, с помощью электронного или полево-ионного микроскопа.

Изучение радиационных дефектов в кристаллах имеет большое практическое значение. Различные конструкционные материалы и расщепляющиеся материалы, используемые в ядерных реакторах и материалы на борту космических аппаратов в радиационных поясах Земли, подвергаются облучению пучками нейтронов, протонов, электронов и гамма-лучей. Для прогнозирования эксплуатационных характеристик материалов необходимо обладать знаниями о различных типах радиационных дефектов, а также знаниями о превращениях дефектов, термической стабильности и влиянии излучения на свойства материалов. Такие знания также помогают в разработке материалов, устойчивых к излучению.

Природные кристаллы всегда содержат дефекты, обусловленные неконтролируемыми условиями, в которых они образовались. Наличие дефектов, влияющих на цвет, может сделать эти кристаллы ценными как драгоценные камни, как в рубине (Cr заменяет небольшую фракцию Al в Al2O3). Кристаллы, приготовленные в лаборатории, также всегда будут содержать дефекты, хотя может быть осуществлен значительный контроль над их типом, концентрацией и распределением. Важность дефектов зависит от материала, типа дефекта и свойств, которые рассматриваются. Некоторые свойства, такие как плотность и упругие константы, пропорциональны концентрации дефектов, поэтому небольшая концентрация дефектов будет оказывать на них очень незначительное влияние. Другие свойства, такие как проводимость полупроводникового кристалла, могут быть гораздо более чувствительными к наличию небольшого количества дефектов.

Дефекты кристаллов ответственны за многие важные свойства материалов, и большая часть физики твердого тела и материаловедения связана с изучением и проектированием дефектов таким образом, чтобы твердое тело могло обладать желаемыми свойствами. Например, бездефектный кристалл кремния был бы малополезен в современной электронике; использование кремния в устройствах зависит от малых концентраций химических примесей, таких как фосфор и мышьяк, которые придают ему желаемые электронные свойства.

Вы можете обсудить эту статью на нашем форуме, достаточно нажать на кнопку ниже.

Метки
Обсудить статью на форуме

Related Articles

Back to top button
Close