Clasificarea defectelor în cristale
Defecte în cristale
5.1 Clasificarea defectelor în cristale
5.2 defectelor punctuale în cristale
5.4 limite de cereale
5.5 solide Durabilitate
Conturat discuția anterioară a structurii cristalelor și a rețelei cristaline, strict vorbind, se aplică numai așa-numitele cristale perfecte. Fiecare fel de cristal reală are o structură perfectă și are o serie de încălcări ale rețelei ideale, care sunt numite defecte în cristale. defecte structurale au o influență semnificativă și, uneori, determinarea, pe proprietățile solidelor. O astfel de punct de vedere structural sensibile (m. E. În funcție de structura defectului) proprietăți sunt conductivitate electrică, fotoconductie, tenacitate și plasticitate, cristale de colorare și t. D. procese de difuzie, creșterea cristalelor, recristalizarea și altele mai multe pot fi explicate în mod satisfăcător prin asumarea acestora în funcție de defect. În prezent, informațiile de bază despre defectele trebuie să fie nu numai pentru fizicieni, ci și designeri și factorii de decizie de dispozitive bazate pe solide, cultivatorii perfecte mono-cristale.
Clasificarea defectelor se realizează de obicei prin caracteristici pur geometrice, și anume numărul de dimensiuni în care încălcări ale structurilor cristaline se extind distante mai mari care depășesc parametrul grilaj caracteristic. Există patru clase de defecte.
1. Punctul (unidimensionale de zero) defecte. chiar numele lor sugereaza ca perturbarea structurii sunt localizate în anumite puncte ale cristalului. Dimensiunile acestor defecte, în toate cele trei dimensiuni nu depășesc una sau mai multe din distanțele interatomice. Pentru punctul defecte sunt poziții (site-uri cu zăbrele vacante), atomii interstițiale, atomii de impuritate în siturile interstițiale sau noduri, precum și combinații de impurități - post vacant de impurități - impurități duble și triple de locuri de muncă. defecte punctuale pot apărea în solide datorită încălzirii (defecte termice), iradierea cu particule rapide (defecte de radiații), compoziția deviației compușilor chimici din stoechiometrici (defecte stoechiometrici), deformare plastică.
2. liniare (unidimensionale) defecte sunt caracterizate prin aceea că periodicitatea perturbațiilor se extind într-o dimensiune cu o distanță mult mai mare decât parametrul de rețea, în timp ce în celelalte două dimensiuni nu depășesc câțiva parametri. defecte liniare sunt luxații, microfisuri. Dislocările sunt rezultatul deformării plastice în procesul de creștere a cristalului sau în tratamente ulterioare. Este de asemenea posibilă formarea defectelor liniare instabile ale lanțurilor defecte punctiforme.
3. Suprafața de (bidimensionale) defecte în două dimensiuni sunt dimensionate pentru a fi de multe ori mai mare decât parametrul de rețea, iar al treilea - câțiva parametri. Două defecte dimensionale se pot datora prezenței impurităților în topitură. Granițele de cereale și gemenii, perturbațiile stivui limitelor interfaciale, pereții de domenii precum suprafata sunt defecte cristaline bidimensionale.
4. (tridimensionale) defecte tridimensionale - un micro-golurilor și incluziuni de cealaltă fază. Ele apar de obicei în timpul creșterii cristalelor sau ca urmare a unor influențe asupra cristalului. De exemplu, prezența unor cantități mari de impurități în topitură, din care este efectuată cristalizarea, poate duce la precipitarea particulelor mari de-a doua faze.
Cele mai frecvente defecte sunt defecte punctiforme energetice - fononi - regularitate temporală a distorsiunii rețelei cristalului cauzată de mișcarea termică. Prin energia de cristal defecte sunt, de asemenea, imperfecțiuni cu zăbrele temporare (stare excitată) cauzate de expunerea la radiatii diferite:, cu raze X sau lumină # 947; radiații, # 945; -radiation, flux de neutroni.
Prin defecte electronice includ excesul de electroni, deficiența de electroni (legături de valență neumplut în cristal - găuri) și excitoni. Acestea din urmă sunt asociat defecte compuse din electroni și găuri, care sunt conectate prin forțe Coulomb.
Prin defecte atomice includ impurități, defecte Frenkel și defecte Schottky.
Dacă atomul de impuritate înlocuiește un atom în rețeaua nodului substanță bazică, este numită o impuritate substituțională (Figura 5.1). Dacă atomul de impuritate este introdus în spațiul interstițial, se numește impuritate interstițiale (Figura 5.2).
Figura 5.1 - Impurități înlocuire
Figura 5.2 - impurități interstițiale
Deși concentrația relativă a defectelor atomice pot fi mici, dar schimbările proprietăților fizice ale cristalului cauzate de acestea pot fi imense. defecte atomice pot afecta proprietățile mecanice, electrice, magnetice și optice ale cristalelor. Ca o ilustrare doar un exemplu de unele miimi de procent de impurități pentru a curăța cristalele semiconductoare schimbă rezistența electrică de 10 5 -10 6 ori.
Mecanismul de apariție a defectelor punctuale a fost propus Ya. I. Frenkelem. Ei au intrat simplă prezentare și clară. Depozite Vaporizarea solide - În fizică, fenomenul de sublimare bine-cunoscut. Deasupra suprafeței solidelor, precum și deasupra suprafeței lichidului, există întotdeauna un „abur“, format din atomi ai unei anumite substanțe. Atomii care formează stratul de suprafață al cristalului, poate obține energie cinetică datorită încălzirii suficientă pentru a rupe departe de suprafață și du-te în mediul înconjurător. Ya. I. Frenkel a sugerat că o astfel de separare poate avea loc nu numai pentru atomii de suprafață, dar pentru atomii din cristal. Într-adevăr, în conformitate cu principiile de bază ale fizicii statistice, chiar și în cazul în care energia cinetică medie a atomilor este foarte scăzut în cristal există întotdeauna un anumit număr de atomi, energia cinetică a ceea ce poate fi foarte mare. Astfel, în conformitate cu natura probabilistică a fenomenului de orice atom al cristalului la un moment dat în timp poate dobândi energie mult bómai mare decât energia cinetică medie a atomilor în cristal. Un astfel de atom poate ieși din poziția sa de echilibru, r. E. De pe site zăbrele. Mutarea prin cristal și transferul de energie la alți atomi, este nevoie de o nouă poziție de echilibru. În cazul în care toate nodurile mai apropiate zăbrele sunt ocupate, el poate găzdui doar un intercalat. Site-ul cu zăbrele goale rămase numite posturi vacante.
defecte punctuale într-o pluralitate de atomi interstițiale și posturile vacante numite defecte Frenkel (Figura 5.3).
Frenkel defecte pereche apar mai ușor în cristale care conțin intervale interatomice mari decât în prim-ambalate. În trecut, nu există nici un loc pentru atomi interstițiale. Un exemplu de primul tip de cristale sunt cristale care au o structură de diamant și sare gemă, iar al doilea tip de cristale metaloizi cu aproape de ambalare. De exemplu, este puțin probabil să se întâlnească sub normale atomii condiții interstițiale din metale centrate pe față. In afara pereche defecte Frenkel, având în cristale sunt defecte simple si punctuale - posturi vacante, în primul rând luate în considerare de către W. Schottky (Figura 5.4). defecte Schottky apar, de obicei, în formă de cristale cu umplutura densa de atomi, unde formarea atomilor interstițial este dificil și energic avantajos. Procesa Obra-mations într-un astfel de defect de cristal poate avea loc, urmează urmează. Unii atomi din stratul de suprafață datorită mișcării termice poate proveni de la o suprafață de cristal. Rezultat vacant migratori este apoi în volumul de cristal. Formarea Defect Schottky reduce densitatea cristalului datorită creșterii volumului său, la o greutate constantă. La formarea Frenkel densitate defect rămâne neschimbat, deoarece volumul cristalului nu se schimbă.
Figura 5.3 - defecte Frenkel
Figura 5.4 - Defecte Schottky
defectelor punctuale sunt posturi vacante în fiecare tip de cristal, indiferent cât de atent poate fi crescut. Mai mult decât atât, într-un cristal reale poziții apar în mod constant și dispar sub influența fluctuațiilor termice. Conform formulei nin Boltzmann concentrației de echilibru a posturilor vacante din cristal, la o anumită temperatură (T) se determină după cum urmează:
unde n - numărul de atomi per unitate de volum a cristalului,
e - baza logaritmilor naturali,
k - este constanta lui Boltzmann,
U - energia formării post vacant.
Pentru cea mai mare energie de formare post vacant de cristale de aproximativ 1 eV la temperatura camerei kT »eV 0025, prin urmare,
Pe măsură ce temperatura crește concentrația relativă a locurilor de muncă vacante crește destul de rapid: la T = 600 ° K se ajunge la 10 -5. și la 900 ° K - 10 -2.
Argumente similare pot fi făcute cu privire la concentrația de defecte Frenkel, având în vedere faptul că energia implanturilor semnificativ mai de locuri de muncă de energie de formare.