Дефекты в кристаллических твердых телах

Всякий реальный кристалл не имеет  совершенной структуры и обладает рядом нарушений идеальной пространственной решетки, которые называются дефектами в кристаллах.

Дефекты в кристаллах подразделяют на нульмерные, одномерные и двумерные. Нульмерные (точечные) дефекты можно  подразделить на энергетические, электронные  и атомные.

Наиболее распространены энергетические дефекты — фононы — временные искажения регулярности решетки кристалла, вызванные тепловым движением. К энергетическим дефектам кристаллов относятся также временные несовершенства решетки (возбужденные состояния), вызываемые воздействием различных радиаций: света, рентгеновского или γ-излучения, α-излучения, потока нейтронов.

К электронным дефектам относятся  избыточные электроны, недостаток электронов (незаполненные валентные связи  в кристалле — дырки) и экситоны. Последние представляют собой парные дефекты, состоящие из электрона и дырки, которые связаны кулоновскими силами.

К линейным (одномерным) дефектам кристаллической  решетки относятся дислокации (в  переводе на русский язык слово «дислокация» означает «смещение»). Простейшими  видами дислокаций являются краевая и винтовая дислокации.

Детальное исследование строения кристаллов (с помощью электронного микроскопа и другими методами) показало, что  монокристалл состоит из большого числа  мелких блоков, слегка дезориентированных друг относительно друга. Пространственную решетку внутри каждого блока, можно считать достаточно совершенной, но размеры этих областей идеального порядка внутри кристалла очень малы: полагают, что линейные размеры блоков лежат в пределах от 10-6 до 10 -4см.

Любая конкретная дислокация может быть представлена как сочетание краевой и винтовой дислокации.

К двумерным (плоскостным) дефектам относятся  границы между зернами кристаллов, ряды линейных дислокаций. Сама поверхность  кристалла тоже может рассматриваться  как двумерный дефект.

Точечные дефекты типа вакансий имеются в каждом кристалле, как  бы тщательно он ни выращивался. Более  того, в реальном кристалле вакансии постоянно зарождаются и исчезают под действием тепловых флуктуации.

Хотя относительная концентрация атомных дефектов может быть небольшой, но изменения физических свойств кристалла, вызванные ими, могут быть огромными. Атомные дефекты могут влиять на механические, электрические, магнитные и оптические свойства кристаллов. В качестве иллюстрации приведем лишь один пример: тысячные доли атомного процента некоторых примесей к чистым полупроводниковым кристаллам изменяют их электрическое сопротивление в 105—106 раз.

Дислокации, являясь протяженными дефектами кристалла, охватывают своим  упругим полем искаженной решетки  гораздо большее число узлов, чем атомные дефекты. Ширина ядра дислокации составляет всего несколько периодов решетки, а длина его достигает многих тысяч периодов. Энергия дислокаций оценивается величиной порядка 4 • 10 -19 дж на 1 м длины дислокации. Энергия дислокаций, рассчитанная на одно межатомное расстояние вдоль длины дислокации, для разных кристаллов лежит в пределах от 3 до 30эв. Такая большая энергия, необходимая для создания дислокаций, является причиной того, что число их практически не зависит от температуры (атермичность дислокаций). В отличие от вакансий [см. формулу (1.1), вероятность возникновения дислокаций за счет флуктуации теплового движения исчезающе мала для всего интервала температур, в котором возможно кристаллическое состояние.

Важнейшим свойством дислокаций является их легкая подвижность и активное взаимодействие между собой и с любыми другими дефектами решетки. Не рассматривая механизм движения дислокаций, укажем, что для того, чтобы вызвать движение дислокации, достаточно создать в кристалле небольшое напряжение сдвига порядка 0,1кГ/мм2. Уже под влиянием такого напряжения дислокация будет перемещаться в кристалле, пока не встретит какого-либо препятствия, которым может быть граница зерна, другая дислокация, атом внедрения и т. д. При встрече с препятствием дислокация искривляется, огибает препятствие, образуя расширяющуюся дислокационную петлю, которая затем отшнуровывается и образует отдельную дислокационную петлю, причем в области обособленной расширяющейся петли остается отрезок линейной дислокации (между двумя препятствиями), который под воздействием достаточного внешнего напряжения снова будет изгибаться, и весь процесс повторится снова. Таким образом, видно, что при взаимодействии движущихся дислокаций с препятствиями происходит рост числа дислокаций (их размножение).

В недеформированных металлических  кристаллах через площадку в 1 см2 проходит 106—108 дислокаций, при пластической деформации плотность дислокаций возрастает в тысячи, а иногда и в миллионы раз.

Строение реальных кристаллов отличается от идеальных, в реальных кристаллах всегда содержатся дефекты, которые подразделяются на: точечные, линейные, поверхностные и объемные.

Размеры точечного дефекта близки к межатомному расстоянию, самые  простые - вакансии - пустой узел кристаллической решетки и наличие межузельного атома, появляются из-за тепловых колебаний атомов. Каждой температуре соответствует равновесная концентрация вакансий и межузельных атомов, пересыщение точечными дефектами достигается при резком охлаждении после высокотемпературного нагрева, при пластическом деформировании и при облучении нейтронами. Ускоряют все процессы, связанные с перемещением атомов - диффузия, спекание порошков и т.д., повышают электросопротивление, но почти не влияют на механические свойства чистых металлов. На рис.8 представлены разновидности точечных дефектов в кристаллической решетке.

 

Рис.8

а – вакансии; б – межузельный  атом; в – примесный атом внедрения

 

Линейные дефекты характеризуются  малыми размерами в двух измерениях, но имеют значительную протяженность в третьем измерении. Важнейший вид линейных дефектов - дислокации. Вокруг дислокаций решетка упруго искажена. Плотность дислокаций - суммарная длина всех линий дислокаций в единице объема. Дислокации значительно влияют на свойства материалов, участвуют в фазовых превращениях, рекристаллизации, служат готовыми центрами при выпадении второй фазы из твердого раствора, влияют на прочность кристаллов, увеличивая ее в несколько раз по сравнению с отожженным состоянием. На рис.6 представлен один из видов линейной дислокации.

 

Рис.6

 

Поверхностные дефекты имеют малую  толщину и значительные размеры  в двух измерениях. Обычно это места  стыков двух ориентированных участков кристаллической решетки. Ими могут  быть границы зерен, границы фрагментов внутри зерна, границы блоков внутри фрагментов. Фрагменты имеют угол разориентировки не более 50 , такие границы называют малоугловыми границами. Для поликристаллических материалов границы между зернами представляют собой переходный слой, в котором нарушена правильность расположения атомов, имеются скопления дислокаций, повышена концентрация примесей. Границы между зернами - большеугловые дефекты, значительно влияют на физические и механические свойства материалов: чем меньше зерно - тем выше предел текучести, вязкость и меньше хрупкость.

Элементы симметрии кристаллов.

Миром кристаллов “правит” симметрия. Симметрия – это свойство тела или явления совпадать самим  с собой (быть инвариантным). При  определенных пространственных преобразованиях  внешняя форма кристаллов, их симметрия являются результатом проявления симметрии расположения их атомов или молекул. Зная закон расположения атомов в кристалле, можно знать законы, по которым формируются грани и ребра внешней формы кристалла.

Помимо трансляционной симметрии, кристаллы характеризуются еще точечными преобразованиями симметрии. Это также преобразования, при которых остается неподвижной одна точка кристалла. К точечным преобразованиям относятся повороты вокруг осей, отражение в плоскостях и зеркальные повороты.

Точечные преобразования симметрии кристаллов удобно характеризовать с помощью элементов симметрии – это математические образы, относительно которых совершаются преобразования симметрии к элементам симметрии, плоскости симметрии и зеркально поворотные оси.

Заключение

Твердые тела делят на кристаллические  и аморфные. Кристаллические тела при нагреве остаются твердыми до определенной температуры (температуры  плавления), при которой они переходят  в жидкое состояние. Аморфные тела при  нагреве размягчаются в большом температурном интервале; сначала они становятся вязкими и лишь затем переходят в жидкое состояние.

Итак, кристаллическая структура  характеризуется правильным (регулярным) расположением частиц в строго определенных местах в кристалле. При мысленном  соединении этих точек линиями получаются пространственный каркас, который называют кристаллической решеткой. Точки, в которых размещены частицы, называются узлами кристаллической решетки. Как мы уже знаем, в узлах могут находиться ионы, атомы или молекулы. Эти частицы колеблются в узлах решетки около своего положения равновесия. Если кристалл нагревать, амплитуда (размах) колебаний возрастает и кристаллическое тело расширяется.

Кристаллическая решетка - это воображаемая пространственная сетка, в узлах  которой располагаются атомы (ионы), образующие металл. Частицы вещества (ионы, атомы), из которых построен кристалл, расположены в определенном геометрическом порядке, который периодически повторяется в пространстве. В отличие от кристаллов в аморфных телах (стекло, пластмассы) атомы располагаются в пространстве беспорядочно, хаотично.

Мир кристаллов настолько красив, что даже обычно сдержанные ученые-химики иногда описывают его не сухим  языком научных статей, а скорее поэтическими категориями. Посмотрите, с каким восхищением пишет о строении кристаллов норвежский химик Юхан Фогт:

"Представьте себе двести  замечательных скрипачей, играющих  одну и ту же пьесу на  прекрасно настроенных инструментах, но не в унисон. Результат будет  не из приятных, и даже человек  с хорошим слухом не поймет, что они играют. Аналогичную музыку издают молекулы газов, жидкостей и обычных твердых тел... В отличие от этого кристалл подобен оркестру, руководимому блестящим дирижером; за движениями дирижера следят глаза всех музыкантов, и все смычки повинуются каждому мановению его руки... Для меня музыка физических законов звучит самым полным и сильным аккордом именно в области науки о кристаллах".

Список использованных источников

1. Бушманов Б.Н., Хромов Ю. А. Физика твердого тела: Учеб.пособие для втузов. – М.: Высш. школ, 1971.
2. Епифанов Г.И. Физика твердого тела: Учеб.пособие для втузов. – М.: Высш. школ, 1977.
3. Жданов Г.С., Хунджуа Ф.Г., Лекции по физике твердого тела – М: Изд-во МГУ, 1988.
4. Кацнельсон А.А. Введение в физику твердого тела – М: Изд-во МГУ, 1984.
5. Киттель Ч. Введение в физику твердого тела./ Пер. с англ.; Под ред. А.А. Гусева. – М.: Наука, 1978.