Krystaldefekter

Krystaldefekter kaldes enhver stabil krænkelse af krystallens translationelle symmetri - krystalgitterets  ideelle periodicitet . I henhold til antallet af dimensioner, hvor dimensionerne af defekten væsentligt overstiger den interatomiske afstand, er defekterne opdelt i nuldimensionelle (punkt), endimensionelle (lineære), todimensionelle (flad) og tredimensionelle ( bulk) fejl [1] .

Nuldimensionelle (punkt) defekter

Nuldimensionelle (eller punkt- ) krystaldefekter omfatter alle defekter, der er forbundet med forskydning eller udskiftning af en lille gruppe atomer (iboende punktdefekter), såvel som med urenheder. De opstår under opvarmning, doping, under krystalvækst og som følge af strålingseksponering . De kan også indføres som følge af implantation . Egenskaberne ved sådanne defekter og mekanismerne for deres dannelse er de mest undersøgte, herunder bevægelse, interaktion, udslettelse og fordampning .

Komplekser bestående af flere punktdefekter observeres også ofte i krystaller, for eksempel: en Frenkel-defekt (tomgang + iboende interstitielt atom), divakans (ledig stilling + ledig stilling), A-center (ledig stilling + oxygenatom i silicium og germanium) osv.

Termodynamik af punktdefekter

Punktdefekter øger krystallens energi, da en vis energi blev brugt på dannelsen af ​​hver defekt. Elastisk deformation forårsager en meget lille del af tomrumsdannelsesenergien, da ionforskydningerne ikke overstiger 1 %, og den tilsvarende deformationsenergi er tiendedele af en eV . Under dannelsen af ​​et interstitielt atom kan forskydningerne af naboioner nå 20% af den interatomiske afstand, og energien af ​​elastisk deformation af gitteret svarende til dem kan nå flere eV. Hoveddelen af ​​den energi, der bruges på dannelsen af ​​en punktdefekt, er forbundet med en krænkelse af periodiciteten af ​​atomstrukturen og bindingskræfterne mellem atomer. En punktdefekt i et metal interagerer med hele elektrongassen. Fjernelse af en positiv ion fra en knude er ensbetydende med at indføre en negativ punktladning; ledningselektroner afstødes fra denne ladning, hvilket forårsager en stigning i deres energi. Teoretiske beregninger viser, at energien til dannelse af en ledig plads i fcc kobbergitteret er omkring 1 eV, og energien for et interstitielt atom er fra 2,5 til 3,5 eV.

På trods af stigningen i krystallens energi under dannelsen af ​​dens egne punktdefekter, kan de være i termodynamisk ligevægt i gitteret, da deres dannelse fører til en stigning i entropi. Ved forhøjede temperaturer kompenserer stigningen i entropileddet TS af den frie energi på grund af dannelsen af ​​punktdefekter for stigningen i den samlede energi af krystallen U, og den frie energi viser sig at være minimal.

Ligevægtskoncentration af ledige stillinger:

hvor E 0  er energien til dannelse af en ledig plads, k er Boltzmann-konstanten, T er den absolutte temperatur. Den samme formel gælder for interstitielle atomer. Formlen viser, at koncentrationen af ​​ledige stillinger bør være stærkt afhængig af temperaturen. Beregningsformlen er enkel, men nøjagtige kvantitative værdier kan kun opnås ved at kende værdien af ​​defektdannelsesenergien. Det er meget vanskeligt at beregne denne værdi teoretisk, så man må nøjes med kun omtrentlige skøn.

Da defektdannelsesenergien er inkluderet i eksponenten, forårsager denne forskel en enorm forskel i koncentrationen af ​​ledige stillinger og interstitielle atomer. Ved 1000°C i kobber er koncentrationen af ​​interstitielle atomer således kun 10-39 , hvilket er 35 størrelsesordener lavere end koncentrationen af ​​ledige pladser ved denne temperatur. I tætte pakninger, som er typiske for de fleste metaller, er det meget vanskeligt for interstitielle atomer at dannes, og ledige pladser i sådanne krystaller er de vigtigste punktdefekter (ikke medregnet urenhedsatomer).

Punktdefekt-migrering

Atomer, der svinger i bevægelse, udveksler konstant energi. På grund af den tilfældige termiske bevægelse er energi ujævnt fordelt mellem forskellige atomer. På et tidspunkt kan et atom modtage så meget energi fra sine naboer, at det vil indtage en nabostilling i gitteret. Sådan sker migrationen (bevægelsen) af punktdefekter i volumenet af krystaller.

Hvis et af atomerne omkring den ledige plads flytter til den ledige plads, så flytter den ledige plads tilsvarende til sin plads. Successive elementære bevægelser af en vis ledig stilling udføres af forskellige atomer. Figuren viser, at i et lag af tætpakkede kugler (atomer), for at flytte en af ​​kuglerne til et ledigt sted, skal den skubbe kugler 1 og 2 fra hinanden. er minimal, skal atomet passere gennem en tilstand med øget potentiel energi, overvinde energibarrieren. Til dette er det nødvendigt for atomet at modtage et overskud af energi fra sine naboer, som det mister og "klemmer" ind i en ny position. Højden af ​​energibarrieren Em kaldes aktiveringsenergien for ledig migration .

Kilder og dræn til punktdefekter

Hovedkilden og synken til punktdefekter er lineære og overfladedefekter - se nedenfor. I store perfekte enkeltkrystaller er nedbrydningen af ​​en overmættet fast opløsning af iboende punktdefekter mulig med dannelsen af ​​de såkaldte. mikrodefekter.

Komplekser af punktdefekter

Det enkleste sæt punktdefekter er en divakans (divakans): to ledige stillinger placeret på nabogitterpladser. Et andet velkendt kompleks er det såkaldte Frenkel-par - et atom i mellemrummene og dets nærliggende ledighed. En vigtig rolle i metaller og halvledere spilles af komplekser bestående af to eller flere urenhedsatomer, såvel som urenhedsatomer og iboende punktdefekter. Især kan sådanne komplekser signifikant påvirke styrken, elektriske og optiske egenskaber af faste stoffer.

Endimensionelle defekter

Endimensionelle (lineære) defekter er krystaldefekter, hvis størrelse i en retning er meget større end gitterparameteren, og i de to andre - sammenlignelig med den. Lineære defekter omfatter dislokationer og disklinationer . Generel definition: dislokation er grænsen for et område med ufuldstændig forskydning i en krystal. Dislokationer er karakteriseret ved en forskydningsvektor (Burgers vektor) og en vinkel φ mellem den og dislokationslinjen. Når φ=0, kaldes dislokationen en skruedislokation; ved φ=90° - marginal; i andre vinkler blandes det, og derefter kan det nedbrydes til spiral- og kantkomponenter. Dislokationer opstår i processen med krystalvækst; under dens plastiske deformation og i mange andre tilfælde. Deres fordeling og adfærd under ydre påvirkninger bestemmer de vigtigste mekaniske egenskaber, især såsom styrke, plasticitet samt elektrisk ledningsevne osv. En disklinering er grænsen for et område med ufuldstændig rotation i en krystal. Det er karakteriseret ved en rotationsvektor.

Todimensionelle defekter

Den vigtigste defekt, der er repræsentativ for denne klasse, er krystaloverfladen. Andre tilfælde er materialets korngrænser, herunder lavvinklede grænser (der repræsenterer associationer af dislokationer), twinning -planer og faseadskillelsesoverflader.

3D-defekter

Bulk defekter. Disse omfatter ophobninger af ledige stillinger, der danner porer og kanaler; partikler, der sætter sig på forskellige defekter (udsmykning), for eksempel gasbobler, moderludsbobler; ophobninger af urenheder i form af sektorer (timeglas) og vækstzoner. Som regel er disse porer eller indeslutninger af urenhedsfaser. De er et konglomerat af mange defekter. Oprindelse - krænkelse af krystalvækstregimer, nedbrydning af en overmættet fast opløsning, forurening af prøver. I nogle tilfælde (for eksempel under udfældningshærdning) indføres volumetriske defekter bevidst i materialet for at ændre dets fysiske egenskaber.

Metoder til at slippe af med defekter

Den vigtigste metode, der hjælper med at slippe af med defekter i krystallen, er zonesmeltemetoden . Denne metode er velegnet til silicium. En lille del af krystallen smeltes for efterfølgende at omkrystallisere smelten. Også kun udglødning bruges. Defekter ved forhøjet temperatur har en høj diffusionskoefficient . Ledige stillinger kan komme til overfladen, og derfor taler man om fordampning af defekter.

Nyttige mangler

Under plastisk deformation af metaller (for eksempel smedning , valsning ) genereres adskillige dislokationer, forskelligt orienteret i rummet, hvilket gør det vanskeligt for krystallen at bryde langs dislokationsnetværket. Således øges metallets styrke , men samtidig falder duktiliteten .

I kunstigt dyrkede rubiner , safirer til lasere , tilføjes urenheder ( Cr , Fe , Ti ) af elementer - farvecentre, der er involveret i genereringen af ​​sammenhængende lys.

Se også

Noter

  1. ↑ Orlov A. N. Defekter // Physical Encyclopedia / Kap. udg. A. M. Prokhorov . - M .: Soviet Encyclopedia , 1988. - T. 1. - S. 595-597. - 704 s. — 100.000 eksemplarer.

Litteratur