Дефекты в кристаллических твердых телах

Министерство образования и  науки Российской Федерации  
Федеральное агентство по образованию

Магнитогорский  государственный технический университет  
им Г.И. Носова

Кафедра экономики и управления

РЕФЕРАТ

по дисциплине___________________________________

на  тему «Дефекты в кристаллических твердых телах» 

Выполнил: студент группы _________ __________________(Ф.И.О.)

Проверил: доцент, к.э.н  __________________(Ф.И.О.)

Магнитогорск  
2014

 

Содержание

Стр.

Введение

Любое химическое вещество образованно  большим числом одинаковых частиц, которые связаны между собою.

При низких температурах, когда тепловое движение затруднено, частицы строго ориентируются в пространстве и  образуют кристаллическую решётку.

Кристаллическая решетка – это  структура с геометрически правильным расположением частиц в пространстве. В самой кристаллической решетке различают узлы и межузловое пространство.

Одно и то же вещество в зависимости  от условий (p, t,…) существует в различных кристаллических формах (т.е. имеют разные кристаллические решетки) – аллотропных модификациях, которые отличаются по свойствам.

Идеальных кристаллов, в которых  все атомы находились бы в положениях с минимальной энергией, практически  не существует. Отклонения от идеальной  решетки могут быть временными и  постоянными. Временные отклонения возникают при воздействии на кристалл механических, тепловых и электромагнитных колебаний, при прохождении через кристалл потока быстрых частиц и т. д. К постоянным несовершенствам относятся:

– точечные дефекты (межузельныс атомы, вакансии, примеси). Точечные дефекты малы во всех трех измерениях, их размеры по всем направлениям не больше нескольких атомных диаметров;

– линейные дефекты (дислокации, цепочки вакансий и меж-узельных атомов). Линейные дефекты имеют атомные размеры в двух измерениях, а в третьем - они значительно больше размера, который может быть соизмерим с длиной кристалла;

– плоские, или поверхностные, дефекты (границы зерен,границы самого кристалла). Поверхностные дефекты малы только в одном измерении;

– объемные дефекты, или макроскопические нарушения (закрытые и открытые поры, трещины, включения постороннего вещества). Объемные дефекты имеют относительно большие размеры, несоизмеримые с атомным диаметром, во всех трех измерениях.

Как межузельные атомы, так и  вакансии (т. е. узлы решетки, в которых отсутствуют атомы) являются термодинамически равновесными дефектами: при каждой температуре в кристаллическом теле имеется вполне определенное количество дефектов. Примеси в решетках имеются всегда, поскольку современные методы очистки кристаллов не позволяют еще получать кристаллы с содержанием примесных атомов менее 10й см-3. Если атом примеси замещает атом основного вещества в узле решетки, он называется примесью замещения. Если примесный атом внедряется в междоузлие, его называют примесью внедрения.

1. Дефекты в кристаллах

В кристаллах всегда имеются дефекты (несовершенства) строения, обусловленные  нарушением правильного расположения атомов кристаллической решетки. Дефекты  кристаллического строения подразделяют по геометрическим признакам на :

1) Точечные дефекты. Они включают  в себя пустые узлы в решетке  (вакансии), междоузельные лишние  атомы, примесные дефекты (примеси  замещения и примесь внедрения).

2) Линейные дефекты. (дислокации).

3) Плоскостные дефекты. Они включают  в себя: поверхности всевозможные других включений, трещины, наружная поверхность.

4) Объемные дефекты. Включают  в себя сами включения, чужеродные  примеси.

1. Точечные дефекты

Атомы совершают колебательные  движения возле узлов решетки, и  с повышением температуры амплитуда этих колебаний увеличивается. Большинство атомов данной кристаллической решетки имеют одинаковую (среднюю) энергию и колеблются при данной температуре с одинаковой амплитудой. Однако отдельные атомы обладают энергией, значительно большей средней энергии, и перемещаются из одного места в другое. Наиболее легко перемещаются атомы поверхностного слоя, выходя на поверхность. Место, где находился такой атом, называется вакансией (рис. 7, а). На это место через некоторое время перемещается один из атомов соседнего слоя и т. д. Таким образом вакансия перемещается в глубь кристалла. С повышением температуры количество вакансий увеличивается и они чаще перемещаются из одного узла в другой. В диффузионных процессах, протекающих в металлах, вакансии играют определяющую роль. К точечным дефектам относят также атом, внедренный в междоузлие кристаллической решетки (рис. 7, б), и замещенный атом, когда место атома одного металла замещается в кристаллической решетке другим, чужеродным атомом. Точечные дефекты вызывают местное искажение кристаллической решетки.

При T¹0 может оказаться, что энергия  частиц в узлах кристаллической  решетки окажется достаточной для  перевода частицы из узла в междоузлие. При чем каждой определенной температуре  будет соответствовать свой определенная концентрация таких точечных дефектов. Часть дефектов будет образовываться за счет перевода частиц из узлов в междоузлие, а часть из них будет рекомбинировать (уменьшение концентрации) за счет перехода из междоузлий в узлы. За счет равенства потоков для каждой температуры будет соответствовать своя концентрация точечных дефектов. Такой дефект, который представляет собой совокупность междоузельного атома и оставшегося свободного узла), кансии) есть дефект по Френкелю.Частица из приповерхностного слоя, за счет температуры, может выйти на поверхность), поверхность является бесконечным стоком этих частиц). Тогда в приповерхностном слое образуется один свободный узел (вакансия). Этот свободный узел может быть занят более глубоко лежащим атомом, что эквивалентно перемещению вакансий в глубь кристалла. Такие дефекты называют дефектами по Шотки. Можно представить себе следующий механизм образования дефектов. Частица с поверхности перемещается в глубь кристалла и в толще кристалла появляется лишние междоузельные атомы без вакансий. Такие дефекты называют антишоткиевские дефекты.

Образование точечных дефектов

Существует три основных механизма  образования точечных дефектов в  кристалле.Закалка. Кристалл нагревают  до значительной температуры (повышенной), при этом каждой температуре соответствует вполне определенная концентрация точечных дефектов (равновесная концентрация). При каждой температуре устанавливается равновесная концентрация точечных дефектов. Чем больше температура, тем больше концентрация точечных дефектов. Если таким образом нагретый материал резко охладить, то в этом случае эта избыточная точечных дефектов окажется замороженной, не соответствующей этой низкой температуре. Таким образом, получают избыточную, по отношению к равновесной концентрации точечных дефектов.

Воздействие на кристалл внешними силами (полями). В этом случае к кристаллу  подводится энергия, достаточная для  образования точечных дефектов.

Облучение кристалла частицами  высоких энергий. За счет внешнего облучения  в кристалле возможны три основных эффекта:

1) Упругое взаимодействие частиц  с решеткой.

2) Не упругое взаимодействие (ионизация электронов в решетке)  частиц с решеткой.

3) Все возможные ядерные  транс мутации (превращения).

Во 2-м и 3-м эффектах всегда присутствует и первый эффект. Эти упругие взаимодействия сказываются двояко: с одной стороны проявляются в виде упругих колебаний решетки, к образованию структурных дефектов, с другой стороны. При этом энергия падающего излучения должна превосходить пороговую энергию образования структурных дефектов. Эта пороговая энергия обычно в 2 –3 раза превосходит энергию, необходимую для образования такого структурного дефекта в адиабатических условиях. В адиабатических условиях для кремния (Si) энергия адиабатического образования составляет 10 эВ, пороговая энергия = 25 эВ. Для образования вакансии в кремнии, необходимо чтобы энергия внешнего излучения как минимум была больше 25 Эв, а не 10 эВ как для адиабатного процесса. Возможен вариант, что при значительных энергиях падающего излучения одна частица (1 квант) приводит к образованию не одного, а нескольких дефектов. Процесс может носить каскадный характер.

2. Линейные дефекты

Линейные дефекты являются другим важнейшим видом несовершенства кристаллической решетки, когда  в результате сдвига на одно межатомное расстояние одной части решетки относительно другой вдоль какой-либо плоскости число рядов атомов в верхней части решетки на один больше, чем в нижней. В данном случае в верхней части решетки появилась как бы лишняя атомная плоскость (экстраплоскость). Край экстраплоскости, перпендикулярный направлению сдвига, называется краевой, или линейной, дислокацией (рис. 7, в), длина которой может достигать многих тысяч межатомных расстояний. Шириной дислокации считают расстояние от центра дефекта до места решетки без искажения. Ширина дислокации мала и составляет несколько атомных расстояний.

Кристаллическая решетка в  зоне дислокаций упруго искажена, поскольку  атомы в этой зоне смещены относительно их равновесного состояния. Для дислокаций характерна их легкая подвижность. Это объясняется тем, что атомы, образующие дислокацию, стремятся переместиться в равновесное состояние. Дислокации образуются в процессе кристаллизации металлов,а также при пластической деформации, термической обработке и других процессах.

Поверхностные дефекты представляют собой границы раздела между  отдельными кристаллами (рис. 7, г). На границе  раздела атомы кристалла расположены  менее правильно, чем в его  объеме.

Кроме того, по границам раздела  скапливаются дислокации и вакансии, а также концентрируются примеси, что еще больше нарушает порядок расположения атомов.

При этом сами кристаллы разориентированы, т. е. могут быть повернуты относительно друг друга на десятки градусов.

Прочность металла может  либо увеличиваться вследствие искажений кристаллической решетки вблизи границ, либо уменьшаться из-за наличия примесей и концентрации дефектов. Дефекты в кристаллах существенно влияют на свойства металлов.

Рис. 7. Дефекты в кристаллах:

а - вакансия, б – внедрённый атом, в – краевая линейная дислокация, г – неправильное расположение атомов границе зерен 1 и 2

3. Несовершенство кристаллов

До сих пор мы рассматривали  идеальные кристаллы. Это позволило  нам объяснить ряд характеристик  кристаллов. На самом деле кристаллы  не являются идеальными. В них могут в большом количестве присутствовать разнообразные дефекты. Некоторые свойства кристаллов, в частности электрические и другие, также зависят от степени совершенства этих кристаллов. Такие свойства называют структурно – чувствительными свойствами. Существуют 4 не основных типа несовершенств в кристалле.

К не основным несовершенствам  относится:

1) Электроны и дырки –  электронные дефекты.

2) Фононы, фотоны и другие  квазичастицы, которые существуют  в кристалле ограниченное время

Электроны и дырки

Фактически они не оказывали влияние на энергетический спектр кристалла в невозбужденном состоянии. Однако, в реальных условиях, при T¹0 (абсолютная температура), электроны и дырки могут быть возбужденные в самой решетке, с одной стороны, а с другой стороны могут инжектироваться (вводится) в нее из вне. Такие электроны и дырки могут приводить с одной стороны к деформации самой решетки, а с другой стороны, за счет взаимодействия с другими дефектами, нарушать энергетический спектр кристалла.

Фотоны

Их нельзя рассматривать как истинное несовершенство. Хотя фотоны и обладают определенной энергией и импульсом, но если эта энергии не достаточно для генерации электронно – дырочных пар, то в этом случае кристалл будет прозрачен для фотона, то есть он без взаимодействия с материалом будет свободно проходить через него. Его включают в классификацию потому, что они могут оказывать влияние на энергетический спектр кристалла за счет взаимодействия с другими несовершенствами, в частности с электронами и дырками.

Дефект по Шотки представляет одну вакансию. Проведя аналогичные рассуждения, как и для концентрации дефектов по Френкелю, получим концентрацию дефектов по Шотки в следующем виде: , где nш – концентрация дефектов по Шотки, Eш – энергия образования дефектов по Шотки. Так как процесс образования по Шотки является мономолекулярным, то в отличие от дефектов по Френкелю, в знаменателе показателя экспоненты отсутствует 2. Процесс образования, например дефектов по Френкелю, характерно для атомных кристаллов. Для ионных кристаллов дефекты, например по Шотки, могут образовываться лишь парами. Это происходит потому, что для сохранения электронейтральности ионного кристалла необходимо, чтобы на поверхность выходили одновременно пары ионов противоположного знака. То есть концентрация таких парных дефектов может быть представлена в виде бимолекулярного процесса: . Теперь можно найти отношение концентраций дефектов по Френкелю к концентрации дефектов по Шотки: ~. Энергия образования парных дефектов по ШоткиEр и энергия образования дефектов по Френкелю Eф имеют величину порядка 1 эВ и могут отличаться друг от друга порядка нескольких десятых эВ. KT для комнатных температур имеет значение порядка 0,03 эВ. Тогда ~. Отсюда следует, что для конкретного кристалла будет преобладать один конкретный тип точечных дефектов.

4. Скорость перемещения дефектов по кристаллу

Диффузия – есть процесс перемещения  частиц в кристаллической решетке на макроскопические расстояния вследствие флуктуации (изменения) тепловой энергии. Если перемещающиеся частицы являются частицы самой решетки, то речь идет о самодиффузии. Если в перемещении участвуют частицы, являющиеся чужеродными, то речь идет о гетеродиффузии. Перемещение этих частиц в решетке может осуществлятся несколькими механизмами:

- За счет движения междоузельных  атомов.

- За счет движения вакансий.

- За счет взаимного обмена  мест междоузельных атомов и  вакансий.

Диффузия за счет движения междоузельных атомов фактически носит двухступенчатый характер:

- Междоузельный атом должен  образоваться в решетке.

- Междоузельный атом должен  перемещаться в решетке.

Диффузия за счет движений вакансий

Процесс диффузии за счет вакансий также  является 2-х ступенчатым. С одной стороны, вакансии должны образовываться, с другой стороны, она должна перемещаться. Следует отметить, что свободное место (свободный узел), куда может переместиться частица, существует также лишь определенную долю времени пропорционально , где Ev – энергия образования вакансий. А частота перескоков будет иметь вид: , где Em – энергия движения вакансий, Q=Ev+Em – энергия активации диффузии.