Defecte de cristal

Defectele cristalului se numesc orice încălcare stabilă a simetriei translaționale a cristalului  - periodicitatea ideală a rețelei cristaline . În funcție de numărul de dimensiuni, în care dimensiunile defectului depășesc în mod semnificativ distanța interatomică, defectele sunt împărțite în zero-dimensional (punct), unidimensional (liniar), bidimensional (plat) și tridimensional ( vrac) defecte [1] .

Defecte (punctuale) zero-dimensionale

Defectele de cristal zero-dimensionale (sau punctuale ) includ toate defectele care sunt asociate cu deplasarea sau înlocuirea unui grup mic de atomi (defecte intrinseci ale punctului), precum și cu impuritățile. Acestea apar în timpul încălzirii, dopajului, în timpul creșterii cristalelor și ca urmare a expunerii la radiații . Ele pot fi introduse și ca urmare a implantării . Proprietățile unor astfel de defecte și mecanismele formării lor sunt cele mai studiate, inclusiv mișcarea, interacțiunea, anihilarea și evaporarea .

Complexele constând din mai multe defecte punctiforme sunt adesea observate în cristale, de exemplu: un defect Frenkel (vacant + atom interstițial intrinsec), divacanță (vacant + post vacant), centru A (vacant + atom de oxigen în siliciu și germaniu) etc.

Termodinamica defectelor punctuale

Defectele punctiforme cresc energia cristalului, deoarece o anumită energie a fost cheltuită pentru formarea fiecărui defect. Deformarea elastică determină o fracțiune foarte mică din energia de formare a locurilor libere, deoarece deplasările ionilor nu depășesc 1% și energia de deformare corespunzătoare este zecimi de eV . În timpul formării unui atom interstițial, deplasările ionilor vecini pot atinge 20% din distanța interatomică, iar energia de deformare elastică a rețelei corespunzătoare acestora poate ajunge la câțiva eV. Partea principală a energiei cheltuite pentru formarea unui defect punctual este asociată cu o încălcare a periodicității structurii atomice și a forțelor de legătură dintre atomi. Un defect punctual într-un metal interacționează cu întregul gaz de electroni. Îndepărtarea unui ion pozitiv dintr-un nod echivalează cu introducerea unei sarcini negative punctuale; electronii de conducere sunt respinși de această sarcină, ceea ce determină o creștere a energiei lor. Calculele teoretice arată că energia de formare a unui loc vacant în rețeaua de cupru fcc este de aproximativ 1 eV, iar cea a unui atom interstițial este de la 2,5 la 3,5 eV.

În ciuda creșterii energiei cristalului în timpul formării propriilor defecte punctuale, acestea pot fi în echilibru termodinamic în rețea, deoarece formarea lor duce la o creștere a entropiei. La temperaturi ridicate, creșterea termenului de entropie TS a energiei libere datorită formării defectelor punctuale compensează creșterea energiei totale a cristalului U, iar energia liberă se dovedește a fi minimă.

Concentrarea de echilibru a posturilor vacante:

unde E 0  este energia de formare a unui loc vacant, k este constanta Boltzmann, T este temperatura absolută. Aceeași formulă este valabilă pentru atomii interstițiali. Formula arată că concentrația locurilor vacante ar trebui să depindă puternic de temperatură. Formula de calcul este simplă, dar valorile cantitative exacte pot fi obținute numai prin cunoașterea valorii energiei de formare a defectelor. Este foarte greu de calculat teoretic această valoare, așa că trebuie să ne mulțumim doar cu estimări aproximative.

Deoarece energia de formare a defectelor este inclusă în exponent, această diferență provoacă o diferență uriașă în concentrația locurilor libere și a atomilor interstițiali. Astfel, la 1000°C în cupru, concentrația de atomi interstițiali este de numai 10–39 , ceea ce este cu 35 de ordine de mărime mai mică decât concentrația de locuri libere la această temperatură. În ambalajele strânse, care sunt tipice pentru majoritatea metalelor, este foarte dificil să se formeze atomii interstițiali, iar locurile libere din astfel de cristale sunt principalele defecte punctuale (fără a se număra atomii de impurități).

Migrarea defectelor punctuale

Atomii care oscilează în mișcare schimbă constant energie. Datorită caracterului aleatoriu al mișcării termice, energia este distribuită neuniform între diferiți atomi. La un moment dat, un atom poate primi un asemenea exces de energie de la vecinii săi, încât va ocupa o poziție vecină în rețea. Așa are loc migrarea (mișcarea) defectelor punctuale în volumul cristalelor.

Dacă unul dintre atomii din jurul locului vacant se mută în locul vacant, atunci locul vacant se va muta în mod corespunzător la locul său. Actele elementare succesive de mișcare a unui anumit loc vacant sunt efectuate de diferiți atomi. Figura arată că într-un strat de bile strânse (atomi), pentru a muta una dintre bile într-un loc liber, aceasta trebuie să împingă bilele 1 și 2. este minim, atomul trebuie să treacă printr-o stare cu crescută. energie potențială, depășiți bariera energetică. Pentru aceasta, este necesar ca atomul să primească de la vecinii săi un exces de energie, pe care îl pierde, „strângându-se” într-o nouă poziție. Înălțimea barierei energetice Em se numește energia de activare a migrației posturilor vacante .

Sursele și absorbantele defectelor punctuale

Sursa principală și absorbția defectelor punctiforme sunt defectele liniare și de suprafață - vezi mai jos. În monocristalele mari perfecte, descompunerea unei soluții solide suprasaturate de defecte intrinseci punctuale este posibilă cu formarea așa-numitelor. microdefecte.

Complexe de defecte punctiforme

Cel mai simplu set de defecte punctuale este o divacancy (divacancy): două locuri libere situate pe locurile de zăbrele învecinate. Un alt complex binecunoscut este așa-numita pereche Frenkel - un atom în interstiții și locul său liber în apropiere. Un rol important în metale și semiconductori îl au complexele formate din doi sau mai mulți atomi de impurități, precum și atomi de impurități și defecte intrinseci punctuale. În special, astfel de complexe pot afecta în mod semnificativ rezistența, proprietățile electrice și optice ale solidelor.

Defecte unidimensionale

Defectele unidimensionale (liniare) sunt defecte de cristal, a căror dimensiune într-o direcție este mult mai mare decât parametrul rețelei, iar în celelalte două - comparabile cu acesta. Defectele liniare includ luxațiile și disclinațiile . Definiție generală: dislocarea este limita unei zone de forfecare incompletă într-un cristal. Dislocațiile sunt caracterizate printr-un vector de forfecare (vector Burgers) și un unghi φ între acesta și linia de dislocare. Când φ=0, dislocarea se numește dislocare șurub; la φ=90° - marginal; la alte unghiuri, este amestecat, iar apoi poate fi descompus în componente elicoidale și de margine. Luxațiile apar în procesul de creștere a cristalelor; în timpul deformării sale plastice şi în multe alte cazuri. Distribuția și comportamentul lor sub influențe externe determină cele mai importante proprietăți mecanice, în special, cum ar fi rezistența, plasticitatea, precum și conductivitatea electrică etc. O disclinație este limita unei zone de rotație incompletă într-un cristal. Se caracterizează printr-un vector de rotație.

Defecte bidimensionale

Principalul defect reprezentativ al acestei clase este suprafața cristalului. Alte cazuri sunt limitele de granule ale materialului, inclusiv limitele cu unghi mic (reprezentând asociații de dislocații), planurile de înfrățire și suprafețele de separare a fazelor.

Defecte 3D

Defecte în vrac. Acestea includ acumulări de locuri libere care formează pori și canale; particule care se depun pe diverse defecte (decorare), de exemplu, bule de gaz, bule de lichid mamă; acumulări de impurități sub formă de sectoare (clepsidre) și zone de creștere. De regulă, aceștia sunt pori sau incluziuni de faze de impurități. Sunt un conglomerat de multe defecte. Origine - încălcarea regimurilor de creștere a cristalelor, descompunerea unei soluții solide suprasaturate, contaminarea probelor. În unele cazuri (de exemplu, în timpul întăririi prin precipitare), defectele volumetrice sunt introduse în mod deliberat în material pentru a modifica proprietățile fizice ale acestuia.

Metode pentru a scăpa de defecte

Metoda principală care ajută la eliminarea defectelor din cristal este metoda de topire a zonei . Această metodă este bine aplicabilă siliciului. O mică parte a cristalului este topită pentru a recristaliza ulterior topitura. De asemenea, se folosește doar recoacere. Defectele la temperatură ridicată au un coeficient de difuzie ridicat . Locuri vacante pot ieși la suprafață și, prin urmare, se vorbește despre evaporarea defectelor.

Defecte utile

În timpul deformării plastice a metalelor (de exemplu, forjare , laminare ), se generează numeroase dislocații, orientate diferit în spațiu, ceea ce face dificilă spargerea cristalului de-a lungul rețelei de dislocare. Astfel, rezistența metalului crește, dar în același timp, ductilitatea scade .

În rubinele cultivate artificial , se adaugă safire pentru lasere , impurități ( Cr , Fe , Ti ) ale elementelor - centre de colorare care sunt implicate în generarea de lumină coerentă .

Vezi și

Note

  1. ↑ Orlov A. N. Defecte // Enciclopedia fizică / Cap. ed. A. M. Prohorov . - M .: Enciclopedia Sovietică , 1988. - T. 1. - S. 595-597. - 704 p. — 100.000 de exemplare.

Literatură