ДЕФЕКТЫ КРИСТАЛЛА

Дефекты кристалла – это отклонения кристаллического твердого тела от регулярного массива атомов или ионов. Например, «идеальный» кристалл NaCl будет состоять из чередующихся ионов Na⁺ и Cl^- на бесконечной трехмерной простой кубической решетке, а простой дефект (вакансия) будет отсутствующим ионом Na⁺ или Cl^-. Существует много других возможных дефектов, начиная от простых и микроскопических, таких как вакансии и другие структуры и заканчивая сложными и макроскопическими, таких как включение другого материала или поверхности [1, c. 12].

Природные кристаллы всегда содержат дефекты из-за неконтролируемых условий, в которых они были сформированы. Наличие дефектов, которые влияют на цвет, может сделать эти кристаллы ценными как драгоценные камни, например, рубин. Кристаллы, созданные в лаборатории, также всегда содержат дефекты, хотя можно осуществлять 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 постоянные, пропорциональны концентрации дефектов, поэтому небольшая концентрация дефектов будет оказывать на них очень небольшое влияние. Другие свойства, такие как проводимость полупроводникового кристалла, могут быть гораздо более чувствительными к наличию небольшого количества дефектов. Действительно, в то время как термин «дефект» несет в себе оттенок нежелательных качеств, дефекты ответственны за многие важные свойства материалов, и большая часть физики твердого тела и материаловедения включает в себя изучение и конструирование дефектов, так что твердые вещества будут иметь желаемое свойства. Бездефектный кремниевый кристалл будет мало полезен в современной электронике; использование кремния в устройствах зависит от небольших концентраций химических примесей, таких как фосфор и мышьяк, которые придают ему требуемые электронные свойства.

Важным типом кристаллического дефекта является химическая примесь. Простейшим случаем является примесь замещения, например, атом цинка вместо атома меди в металлической меди. Примеси также могут быть интерстициальными; то есть они могут быть расположены там, где атомы или ионы обычно не существуют. В металлах примеси обычно приводят к увеличению удельного электрического сопротивления. Примеси в полупроводниках ответственны за важные электрические свойства, которые приводят к их широкому применению. Уровни энергии, связанные с примесями и другими дефектами в неметаллах, также могут приводить к оптическому поглощению в некоторых областях спектра.

Даже в химически чистом кристалле могут возникнуть структурные дефекты. Они могут быть простыми или расширенными. Одним типом простого дефекта является вакансия, но существуют и другие типы. Атом, покинувший нормальное место для создания вакансии, может оказаться в промежуточном положении, месте, которое обычно не занято. Или он может образовывать связь с атомом таким образом, что ни один атом не находится на обычном месте, но оба симметрично смещены от него. Дефект Френкеля назван парой вакансия-внедрения, тогда как изолированная вакансия является дефектом Шоттки.

Простейшим протяженным структурным дефектом является дислокация. Краевая дислокация – это линейный дефект, который можно рассматривать как результат сложения или вычитания полуплоскости атомов. Винтовая дислокация – это линейный дефект, который можно рассматривать как результат разрезания на части через кристалл и смещения его параллельно краю разреза. Дислокации имеют большое значение при определении механических свойств кристаллов. Бездислокационный кристалл устойчив к сдвигу, потому что атомы должны перемещаться по барьерам с высокой потенциальной энергией из одного положения равновесия в другое. Требуется относительно мало энергии для перемещения дислокации (и, следовательно, сдвиг кристалла), потому что атомы на дислокации едва находятся в устойчивом равновесии. Такая пластическая деформация называется скольжением [2, c. 19].

По научным и практическим причинам большая часть исследований дефектов кристаллов направлена ​​на динамические свойства дефектов в определенных условиях. Исследования проводятся чтобы устранить нежелательное воздействие внешних факторов на свойства материала или минимизировать эти эффекты. Существует множество примеров применения дефектов, включая широко известный фотографический процесс, в котором падающие фотоны вызывают дефекты в галогенидах серебра или других материалах.

Список литературы:

1. Бюрен, Г.Г. Дефекты в кристаллах / Г.Г. Бюрен. – М.: Иностранная литература, 1962. - 610 с.
2. Халл, Д. Введение в дислокацию / Д. Халл. – М.: Металлургиздат, 1958. - 268 с.