Доклад дефекты кристаллической решетки
Обновлено: 02.07.2024
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.
Прикрепленные файлы: 1 файл
РЕферат_деформация2.doc
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное агентство по образованию
Магнитогорский государственный технический университет
им Г.И. Носова
Кафедра экономики и управления
по дисциплине_________________ __________________
Выполнил: студент группы _________ __________________( Ф.И.О.)
Проверил: доцент, к.э.н __________________(Ф.И.О.)
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 прав ильным 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.
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.
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.
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
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.
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.
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.
Физико-химические свойства "идеальных" кристаллических структур. Основные причины возникновения дефектов в кристаллах. Классификация и типы дефектов кристаллической решетки, их вредное влияние на свойства материалов и характеристики электронных приборов.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | реферат |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 27.02.2017 |
| Размер файла | 1,1 M |
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Дефекты кристаллов и их возникновение
Из-за возрастающих требований к чистоте и совершенству кристаллов, поскольку дефекты оказывают вредное влияние на характеристики электронных приборов, воздействуют на пластичность и диффузионные свойства, а также играют существенную роль в процессе роста кристаллов, интерес к изучению дефектов особенно возрос. Дефекты возникают вследствие нарушения правильности расположения частиц, которые в свою очередь слагают структуру реальных кристаллов. То есть любое отклонение от их идеальной структуры ведет к дефектности в кристаллах. Их разнообразие, а также взаимодействие между собой приводит к многообразию структурных несовершенств кристалла. Внешние условия также являются определяющим фактором, благодаря которым кристаллы не только изменяют свою внешнюю форму, но и отображаются на гранях в виде штриховки, фигур травления и т.д. Для любого исследователя дефект - это источник информации о событиях, происшедших с данным кристаллом. Простейшим методом экспериментального обнаружения дефектов является избирательное травление. Сущность метода заключается в обработке поверхности кристалла специально подобранным химическим реактивом, в результате действия которого на поверхности образуются мелкие ямки (фигуры травления). Фигуры травления образуются в тех местах, где структура кристалла нарушена. За последнее время травление не только вошло в инструментарий разных научных направлений, например, таких как минералогия, археология, материаловедение, рост кристаллов, пластическая деформация материалов, физика полупроводников, ядерная и космическая физика, а также внесло существенный вклад в развитие технологии приборов
Можно указать две основные причины возникновения дефектов в кристаллах. Первая обусловлена тепловым движением частиц, формирующих кристалл. С повышением температуры твердого тела энергия такого движения растет, поэтому возрастает и вероятность образования подобного рода дефектов, обычно называемых собственными или тепловыми. Другой вид дефектов связан с наличием в структуре вещества тех или иных примесей. Иначе, абсолютно химически чистых веществ не существует. Однако влияние примесей на свойства вещества может быть незначительным, и тогда их присутствием пренебрегают. Когда присутствующие примеси существенно изменяют свойства твердого тела, говорят о дефектах химического состава кристалла или примесных дефектах.
Дефекты в кристаллах могут возникать и как следствие воздействия на них внешних механических нагрузок. Так, при необратимом растяжении кристалла наступает его пластическая деформация, при которой в материале возникают плоскости скольжения с наибольшим сдвигом. За счет механических нагрузок в кристалле могут возникать трещины и другие макродефекты.
В процессе зарождения и роста кристаллов множество факторов приводит к нарушению расположения частиц в кристаллической решетке. Отклонения от закона построения идеального кристалла порождают дефекты [1]. Их качество и количество зависят от природы кристалла, от условий, при которых происходил его рост. В начале XX столетия стал быстро возрастать интерес к природе и свойствам дефектов, что связано, в первую очередь, с попытками получения совершенных кристаллов, используемых в науке и технике. Дефекты, присутствующие в кристаллах всегда, существенно влияют на те, или иные физические свойства. При этом их концентрация зависит от температуры: так, если при температуре абсолютного нуля кристалл практически бездефектен, то уже при нормальных условиях один дефект приходится на 109 атомов, при Т = 350°С - один дефект на каждые 105, а при Т = 650°С - на каждые 102 атома.
Знание природы и распределения дефектов в кристаллах необходимо, поскольку они оказывают вредное влияние на характеристики электронных приборов, воздействуют на пластичность и прочность кристаллов, на их электронную и ионную проводимость и диффузионные свойства и т.д. Так, электросопротивление металлов при низких температурах меняется на несколько порядков в зависимости от блочности, плотности дислокаций и примесей. Велико влияние точечных дефектов на электропроводность кристаллов; электрические свойства полупроводников почти полностью определяются примесями. Примесные атомы, фазовые выделения и другие особенности реальной структуры кристалла определяют все явления пластичности и прочности кристаллов. Оптическое поглощение чаще всего оказывается примесным. Дефекты структуры кварца (дислокации, примеси ионов OH?) в несколько раз меняют добротность элементов стабилизации радиочастот и ухудшают оптическое пропускание в инфракрасной области. Движение заряженных точечных дефектов определяет ионную проводимость в кристаллах при наложении электрического поля. В конце концов, дефекты могут оказывать влияние и на внешний облик кристаллов. Поэтому структурные дефекты и свойства, на которые они влияют, следует рассматривать в совокупности.
Классификация дефектов
Дефекты в реальном кристалле можно разделить на химические примеси, нестехиометрию состава и собственно дефекты решетки. По Ван-Бюрену, все дефекты можно разделить на:
· нульмерные, или точечные, дефекты, к которым относятся вакансии, межузельные атомы, сочетания этих дефектов, центры окраски и т.п.;
· одномерные, или линейные, дефекты-дислокации;
· двумерные, или поверхностные, дефекты: границы зерен и двойников, межфазные границы, страты роста, границы зон роста;
· трехмерные, или объемные, дефекты: лакуны (пустоты), включения второй фазы и т.д.
Самые общие несовершенства в кристаллах представлены на рис.1.
Дефекты кристаллической решетки и их типы. Влияние дефектов на свойства кристаллов
В идеальном кристалле узлы решетки расположены в строгом порядке, распространенном на весь кристалл, но такие кристаллы в действительности не существуют: известный беспорядок вносит уже тепловое движение. Так как атомы колеблются в произвольных направлениях, их мгновенное расположение в какой-то момент времени отличается от такового в другой и является в некоторой степени неупорядоченным. Однако само по себе тепловое движение оказывается причиной только слабого отклонения свойств реального кристалла от свойств идеального, поскольку статистически в среднем центры колебаний расположены в узлах идеальной решетки.
В реальном кристалле неизбежны другого рода нарушения порядка, характерного для идеального кристалла, и они представляют собой уже настоящие дефекты. По своей природе дефекты решетки реального кристалла разграничивают на примесные (химические) и собственные (структурные).
Если фундаментальные физические свойства веществ определяются их химическим составом и идеальной структурой, то некоторые изменения этих свойств и придание новых оптических и электронных характеристик материалу осуществляется введением или изменением концентрации определенных примесных и собственных дефектов в них.
Под химическими дефектами понимаются отклонения от правильной решетки идеального кристалла, связанные с влиянием примесей.
К структурным, собственным, дефектам относятся геометрические отклонения от регулярного расположения атомов в идеальном кристалле, не обусловленные примесями.
Классификация возможных структурных дефектов в кристаллах проводится на основе их пространственной протяженности. Они разделяются на точечные, линейные и поверхностные.
Точечный дефект - это локальное нарушение кристаллической структуры, размеры которого во всех трех измерениях сравнимы с одним или несколькими (немногими) межатомными расстояниями. К простейшим точечным дефектам относятся вакансии - отсутствие атома или иона в узле кристаллической решетки (рис. 2 а) - и междоузельные внедренные атомы - атомы, находящиеся в промежутках между атомами, центры которых расположены в узлах решетки. Внедренные дефекты могут быть как примесными, химическими (рис. 2 б), так и собственными.
Энергия образования одной вакансии в металлическом кристалле порядка 1 эВ. В полупроводниковых кристаллах типа Si и Ge она возрастает до 2.0-2.5 эВ. Эта энергия затрачивается не только на разрыв связей, но и на искажение решетки вблизи дефекта, вызванное смещением атомов из равновесных положений (рис. 2). Возникновение точечных дефектов приводит к увеличению энтропии кристалла, обусловленному разупорядочением структуры, что в значительной мере компенсирует затрату энергии на образование дефекта. В результате в кристаллах, находящихся в состоянии теплового равновесия, некоторая часть всех мест в решетке остается вакантной: вакансии и междоузельные атомы существуют в любых кристаллах и при любых температурах, возникая в условиях равновесия вследствие теплового движения. Равновесная концентрация точечных дефектов зависит от температуры по экспоненциальному закону.
Рис. 2. Точечные дефекты и вызываемые ими искажения в кристаллах: а - вакансия; б - междоузельный атом; в - дефект Френкеля; г - дефект Шоттки.
Точечные дефекты могут перемещаться в кристалле, взаимодействуя между собой и с другими дефектами.
В ионных кристаллах точечные дефекты обладают электрическими зарядами: внедренный анион имеет отрицательный заряд, внедренный катион - положительный; вакансия катиона действует как эффективный отрицательный заряд, вакансия аниона - как эффективный положительный. Каковы бы ни были соотношения концентраций и типов точечных дефектов, кристалл в целом должен оставаться электронейтральным.
Дефекты Френкеля - вакансия в решетке и противоположно заряженный атом в междоузлии (рис. 2 в); эти дефекты не влияют на плотность кристалла; дефекты Шоттки - вакансия внутри идеального кристалла и атом на поверхности (рис. 2 г); наличие дефекта Шоттки уменьшает плотность кристалла, так как атом, образовавший вакансию, диффундирует на поверхность кристалла. В общем случае в кристалле могут быть и дефекты Френкеля, и дефекты Шоттки, причем преобладают те, для образования которых требуется меньшая энергия.
Структурные точечные дефекты, как правило, вызывают отклонения в распределении электронных зарядов от распределения, соответствующего идеальному, периодическому кристаллу. Эти отклонения называют электронными дефектами твердого тела.
Если разрешенные энергетические состояния электронов и дырок, обусловленных наличием дефектов, располагаются в запрещенных участках энергетического спектра электронов основного вещества, то оптические и электрические свойства материалов существенно изменяются. Переходы между такими состояниями, а также переходы между ними и состояниями в зонах приводят к появлению новых полос поглощения и люминесценции, то есть дефекты выступают в качестве центров окраски и люминесценции.
Комплексы точечных дефектов, обладающие собственной частотой поглощения света и вследствие этого изменяющие окраску кристалла, называются центрами окраски. Впервые понятие центров окраски было введено для щелочно-галоидных кристаллов.
Простейший из центров окраски F-центр образуется в результате захвата электрона одиночной вакансией. Электроны поставляются либо избыточными атомами одного из компонентов, которые вводятся в образец путем отжига его в парах этого компонента, либо они появляются как результат ионизации при облучении образца. Кроме F-центров к электронным центрам окрашивания относится еще целый ряд дефектов.
Наряду с электронами, на дефектах решетки могут локализоваться дырки. Вследствие этого, наряду с электронными, выделяют еще и дырочные центры поглощения. Электронные центры могут при известных условиях отдать избыточный электрон, а дырочные - принять, следовательно, электронные центры являются донорами электронов, а дырочные - акцепторами. дефект кристаллический структура электронный
Центром люминесценции называют такой дефект, в котором при переходе его электронной или колебательной подсистемы из возбужденного состояния в основное энергия выделяется в виде фотона. В принципе, все центры окраски, в которых поглощение обусловлено электронными переходами, могут быть центрами люминесценции, так как переходы с возбужденного уровня на основной (люминесценция) разрешены в той же мере, что и с основного уровня на возбужденный (поглощение). Отсутствие люминесценции при электронных переходах в некоторых центрах окраски обусловлено внутрицентровым или внецентровым тушением.
Возникновение люминесценции при переходе возбужденной колебательной системы дефекта в основное состояние - более редкое явление. Его удается наблюдать только в случаях изолированных, как правило, примесных дефектов, для которых частоты локальных колебаний достаточно далеко сдвинуты относительно частот разрешенных колебаний атомов основного вещества. В остальных случаях энергия возбужденного локального колебания эффективно передается колебаниям атомов основного вещества - фононам.
К линейным несовершенствам кристалла относятся дислокации: нарушения регулярности решетки вдоль линии, представляющие собой линейные искажения типа обрыва или сдвига атомных слоев, нарушающие правильность их чередования. Поперечные размеры линейного дефекта не превышают одного или нескольких межатомных расстояний, а длина достигает размеров кристалла.
Два простейших типа линейных собственных дефектов - это краевые и винтовые дислокации. Краевая дислокация может быть представлена как обрыв атомной плоскости (рис. 3а). Линия дислокации перпендикулярна плоскости чертежа. Винтовая дислокация в кристалле определяется как сдвиг одной части кристалла относительно другой так, что линия дислокации оказывается параллельна вектору сдвига, который называется вектором Бюргерса. Кристалл, содержащий винтовую дислокацию, можно представить себе состоящим не из параллельных атомных плоскостей, а как бы из одной атомной плоскости, закрученной как винтовая лестница. Ось этого винта и есть линия винтовой дислокации (рис. 3 б).
Рис. 3. Краевая и винтовая дислокации в кристаллах: а - краевая дислокация в кристалле как появление лишней атомной плоскости; линия дислокации перпендикулярна плоскости рисунка; б - винтовая дислокация в кристалле; линия дислокации - вертикальная пунктирная линия.
Таким образом, и винтовая, и краевая дислокация - это граница между сдвинутой и несдвинутой частями кристалла (область незавершенного сдвига), или нарушение правильности структуры вдоль некоторой линии, которая не может оборваться внутри кристалла. А должна либо выходить на поверхность кристалла, либо разветвляться на другие дислокации, либо образовывать внутри кристалла замкнутую петлю. Характерной особенностью дислокаций является их подвижность: под действием внешних сил дислокация может перемещаться по кристаллу.
Важнейшей характеристикой качества кристалла служит плотность дислокаций. Ее определяют, как число линий дислокаций, пересекающих единичную площадку в кристалле.
Значения плотности дислокаций составляют от 10 2 - 10 3 см- 2 в совершенных кристаллах Ge и Si, до 10 11 - 10 12 см- 2 в сильно деформированных металлических кристаллах. В специальных условиях в настоящее время удается вырастить монокристаллы с плотностью дислокаций порядка нескольких единиц на квадратный сантиметр и бездислокационные кристаллы.
К поверхностным дефектам в кристаллах относятся малоугловые, большеугловые и двойниковые границы. Малоугловые границы - границы между элементами субструктуры кристалла, которые получили название блоков. Блоки представляют собой области с малыми углами разориентировки относительно друг друга.
По предположению Бюргерса границы между такими областями состоят из совокупности дислокаций. Эта модель подтверждена электронно-микроскопическими, а также рентгеновскими и оптическими исследованиями. Большеугловые границы зерен представляют собой переходные области между соседними зернами, имеющими различную ориентацию в пространстве.
Таким образом, собственные дефекты в кристаллах можно классифицировать по их пространственной протяженности: любой деффект - это отклонение структуры реального материала от структуры идеального.
Влияние дефектов кристаллической решетки на свойство материалов
Дефекты без сомнения оказывают сильное воздействие на свойства заголовки. Но далеко не всегда это нежелательные воздействия, связанные с потерей материалом нужных характеристик. Часто кристаллическую решетку специально подвергают изменениям, чтобы добиться нужных свойств.
Точечные дефекты такие как атомы внедрения и атомы замещения используются для так называемого легирования, то есть подмешивание в состав материала примесей других элементов. Например, при легировании кремния фосфором можно получить полупроводник с n-типа, величина примеси будет также влиять на плавность p-n перехода. В противоположность этому легирование кремний бором даст полупроводник с n-типом проворности. Для получения качественной стали с высокими показателями долговечности железо легируют углеродом и марганцем.
Дислокация относящиеся к линейным дефектам позволяют увеличивать прочность материала, однако при этом происходит потеря пластичности, но иногда именно это и требуется.
Определить величину дефектов проще, сравнивая свойства эталона и измеряемого материала, однако скопления дефектов могут помочь определить вихретоковый или ультразвуковой дефектоскопы. Важно, что на сегодняшний день большинство дефектов можно определять и контролировать неразрушающим способом.
Подобные документы
Понятие и классификация дефектов в кристаллах: энергетические, электронные и атомные. Основные несовершенства кристаллов, образование точечных дефекто, их концентрация и скорость перемещения по кристаллу. Диффузия частиц за счет движений вакансий.
реферат [571,0 K], добавлен 19.01.2011
Кристаллическое и аморфное состояния твердых тел, причины точечных и линейных дефектов. Зарождение и рост кристаллов. Искусственное получение драгоценных камней, твердые растворы и жидкие кристаллы. Оптические свойства холестерических жидких кристаллов.
реферат [1,1 M], добавлен 26.04.2010
Структура кристаллов. Роль, предмет и задачи физики твердого тела. Кристаллические и аморфные тела. Типы кристаллических решеток. Типы связей в кристаллах. Кристаллические структуры твердых тел. Жидкие кристаллы. Дефекты кристаллов.
лекция [2,0 M], добавлен 13.03.2007
Сведения о колебаниях кристаллических решёток, функции, описывающие их физические величины. Кристаллографические системы координат. Расчет энергии взаимодействия атомов в ковалентных кристаллах, спектра колебаний кристаллической решётки вольфромата бария.
дипломная работа [566,1 K], добавлен 09.01.2014
История развития представления о жидких кристаллах. Жидкие кристаллы, их виды и основные свойства. Оптическая активность жидких кристаллов и их структурные свойства. Эффект Фредерикса. Физический принцип действия устройств на ЖК. Оптический микрофон.
В реальном кристалле всегда имеются дефекты строения (несовершенства).
Дефекты кристаллического строения подразделяют по геометрическим признакам на 4 – е группы:
1. Точечные (нульмерные);
2. Линейные (одномерные);
3. Поверхностные (двухмерные);
4. Объемные (трехмерное).
2. Точечные дефекты
Эти дефекты малы во всех трех измерениях и размеры их не превышают нескольких атомных диаметров.
Вакансии образуются в результате перехода атомов из узлов решетки на поверхность, или их полного испарения с поверхности кристалла (рис. 1).
С повышением температуры концентрация вакансий возрастает.
Межузельные атомы – эти дефекты образуются в результате перехода атома из узла решетки в междоузлие (на месте атома образуется вакансия). В металлах возникают очень трудно, связано с большими затратами энергий на переход атома в междоузлие.
Атомы примесей присутствующие даже в самом чистом металле, как правило, образуют твердые растворы (рис. 2)
Рисунок 1. Схема точечных дефектов в кристалле:
l – примесный атом замещения; 2 – дефект Шоттки; 3 – примесный атом внедрения; 4 – дивакансия; 5 – дефект Френкеля (вакансия и межузельный атом); 6 – примесный атом замещения
Рисунок 2. Схема точечных дефектов в кристалле (на примере решетки ОЦК):
l – чистый металл; 2 – твердый раствор замещения; 3 – твердый раствор внедрения
Точечные (нульмерные) дефекты являются центрами локальных искажений в кристаллической решетке. Однако заметные искажения решетки (смещение атомов), окружающие нульмерный дефект, создается только на расстояниях нескольких атомных диаметров (составляют доли межатомного расстояния).
Дефекты Шоттки и Френкеля оказывают влияние на свойства металлов: электропроводность, магнитные свойства, предопределяют процесс диффузии в металлах.
3. Линейные дефекты или одномерные
Эти несовершенства имеют малые размеры в двух измерениях и большую протяженность в третьем измерении. Дефект имеет протяженность несколько межатомных расстояний.
К линейным дефектам относятся дислокации, цепочки вакансий или цепочки межузельных атомов.
Различают дислокации следующих видов: краевые, винтовые, смешанные.
Рисунок 3. Краевая дислокация
Образуется дислокация при кристаллизации или сдвиге.
Рассмотрим образование дислокации при сдвиге. Возьмем параллелепипед (кристалл) и проведем сдвиг верхней части кристалла относительно нижней на одно межатомное расстояние, при этом сдвиг охватывает не всю плоскость скольжения, а только часть её АВDС, граница АВ плоскости АВDС и будет дислокацией (рис. 4). Линия краевой дислокации перпендикулярна вектору сдвига t. В верхней части кристалла n плоскостей, а в нижней n – 1, т. е. на одну меньше.
Рисунок 4. Сдвиг, создавший краевую дислокацию
Если эксраплоскость находится в верней части кристалла, то дислокация положительная (┴), если в нижней – отрицательная (┬) (рис. 5).
Рисунок 5. Схема положительной и отрицательной дислокации
Край экстраплоскости представляет собой линию краевой (линейной) дислокации, длина которой может достигать многих тысяч межатомных расстояний. Дислокация может быть прямой или выгибаться в ту или другую сторону. Вокруг дислокации на протяжении пяти-семи атомных размеров кристаллическая решетка сильно искажена. Над дислокацией атомы в кристалле уплотнены, а под ней раздвинуты.
Винтовая дислокация – была открыта в 1939г. Бюргерсом. Образуется также при кристаллизации или сдвиге. Винтовую дислокацию можно определить как сдвиг одной части кристалла относительно другой.
Винтовая дислокация параллельна вектору сдвига (рис. 6). Рассмотрим винтовую дислокацию образующуюся при сдвиге.
Рисунок 6. Сдвиг, создавший винтовую дислокацию:
а – кристалл до сдвига надрезан по ABCD;
б – кристалл после сдвига; ABCD – зона сдвига
Сдвиг кристалла происходит по плоскости ABCD, винтовая дислокация представляет собой границу деформируемой и недеформируемой частью кристалла, т. е. линию BC.
При наличии винтовой дислокации кристалл можно рассматривать как состоящий из одной атомной плоскости, закрученной в виде винтовой поверхности. На рис. 7 показана винтовая дислокация на атомном уровне.
Рисунок 7. Кристалл с винтовой дислокацией, представляющей собой атомную плоскость, закрученную в виде винтовой лестницы (геликоида)
На рисунке 8 показано расположение атомов в двух вертикальных плоскостях, проходящих непосредственно по обе стороны от плоскости сдвига ABCD. Если смотреть на них со стороны правой грани кристалла, то черные кружки обозначают атомы на вертикальной плоскости слева от плоскости сдвига, а светлые кружки – атомы на вертикальной плоскости справа от плоскости сдвига. Заштрихована образовавшаяся при сдвиге ступенька на верхней грани кристалла.
Рисунок 8. Расположение атомов в области винтовой дислокации
Линия ВС представляет собой границу зоны сдвига внутри кристалла., отделяющую ту часть плоскости скольжения, где сдвиг уже произошел, от той части, где сдвиг еще не начинался.
Различают винтовые дислокации левые и правые. Винтовая дислокация параллельна вектору сдвига.
Смешанные дислокации – являются чисто краевой в точке С и чисто винтовой в точке А (рис. 9).
Рисунок 9. Сдвиг, создавший смешанную дислокацию АС
Смешанная дислокация (АС) имеет форму кривой линии. В промежутке между чисто краевым участком вблизи точки С и чисто винтовым вблизи точки А дислокация имеет смешанную ориентацию, промежуточную между краевой и винтовой.
Искажения кристаллической решетки, вызванные дислокациями.
Дислокации окружены полями упругих напряжений, вызывающих искажение кристаллической решетки.
В краевой дислокации выше края экстраплоскости межатомные расстояния меньше нормальных, а ниже края – больше.
Критерием искажения кристалла служит вектор Бюргерса.
Для определения вектора Бюргерса ( ) краевой дислокации проводят вокруг дислокации контур ABCDE (рис. 10) – против часовой стрелки, одинаковое число межатомных расстояний; разность между контуром идеальной решетки и реальной (с дефектом) – АЕ и есть вектор Бюргерса (обозначают ).
Рисунок 10. Схема определения вектора Бюргерса для линейной дислокации:
а) схема плоскости реального кристалла; б) решетка совершенного кристалла
Вектор Бюргерма позволяет найти силы, требуемые для продвижения дислокации, силы взаимодействия и энергию дислокаций и т.д. В краевой дислокации вектор Бюргерса перпендикулярен к её линии, а у винтовой – параллелен ей.
Дислокации находящиеся в одной плоскости скольжения и имеющие разные знаки (например ┴ и ┬) притягиваются и взаимно уничтожаются (аннигилируют) и наоборот.
Под действием напряжений дислокации двигаются (скользят), что определяет дислокационный механизм пластической деформации.
Дислокации влияют на прочностные пластические свойства металлов; а также и на их физические свойства – увеличивают электросопротивление, скорость диффузии и др.
Скопление примесных атомов внедрения у экстраплоскости дислокации называется облаком (атмосферой) Котрелла, при этом энергия упругих искажений в кристалле понижается.
Важной характеристикой дислокаций является величина плотности дислокации. Под плотностью дислокации понимают суммарную длину дислокации l, приходящуюся на единицу объема V кристалла в см/см 3 = см -2 :
В металле имеется большое число дислокаций (10 6 -10 12 см -2 ).
4. Поверхностные или двухмерные дефекты
Эти дефекты малы только в одном измерении. К ним относятся границы зерен, границы блоков, дефекты упаковки, двойниковые границы.
Металлы, используемые в технике, состоят из большого числа кристаллов неправильной формы, называемых зернами или кристаллитами. По границам между зернами металла нарушается правильность строения кристаллической решетки. Обычно зерна повернуты произвольно. Разориентация между соседними зернами составляет от нескольких градусов до десятков градусов (обычно более 5 0 ) (рис.11). Граница между зернами называется – большеугловой.
Рисунок 11. Схема поликристаллического строения металла
Каждое зерно металла состоит из отдельных блоков, субзерен (рис.12). Разориентировка между соседними субзернами составляет от нескольких секунд до нескольких минут (малоугловые границы). Малоугловые границы имеют дислокационное строение (ряд параллельно краевых дислокаций). В пределах каждого субзерна (блока) решетка почти идеальна.
Рисунок 12. Схема блочной структуры (дислокационное строение малоугловой границы)
Границы между отдельными кристаллитами (зернами) представляют собой переходную область шириной в 5 – 10 атомных размеров, в которой решетка одного кристалла, имеющего определенную кристаллографическую ориентацию, переходит в решетку другого кристалла, имеющего иное кристаллографическое направление. Поэтому на границе зерна атомы имеют менее правильное расположение, чем в объеме зерна (рис. 13).
Рисунок 13. Модель размещения атомов в объеме и на границе зерна
Двойники (границы двойников).
Двойникованием называют симметричную переориентацию областей кристаллической решетки. Решетка внутри двойниковой прослойки является зеркальным отображением решетки в остальной части кристалла (рис. 14)
Рисунок 14. Схема двойника
К поверхностным дефектам относятся также дефекты упаковки. Под ними подразумевают локальные изменения расположения плотно упакованных плоскостей в кристалле (нарушена последовательность упаковки слоев).
Порядок упаковки слоев атомов в решетке обозначается буквами А, В, С.
Порядок укладки для:
ГЦК решетки: АВС АВС АВС …
ГПУ решетки: АВ АВ АВ АВ …
Дефект упаковки: АВС АВС АВ АВ АВС АВС …
Нульмерные, двухмерные, одномерные дефекты относятся к микродефектам т. е. которые нельзя наблюдать невооруженным глазом.
5. К объемным (трехмерным) дефектам относят такие, которые имеют размеры в трех измерениях: неметаллические включения, царапины, макроскопические трещины, поры и т. д.
6. Диффузия – под ней понимают перемещение атомов в кристаллическом теле на расстояния, превышающие средние межатомные расстояния данного вещества.
Процессы связанные с диффузией: процесс кристаллизации, фазовые превращения, рекристаллизация, процессы насыщения поверхности другими компонентами.
Самодиффузия – процесс перемещения атомов не связанный с изменением концентрации и отдельных объемах.
Диффузия (гетеродиффузия) – перемещение атомов сопровождается изменением концентрации (происходит в металлах с повышенным содержанием примесей и в сплавах).
Диффузия может иметь циклический (рис. 15, а), обменный (рис. 15, б), вакансионный (рис. 15, в), межузельный характер (рис. 15, г). В металлах диффузия преимущественно осуществляется по вакансионному механизму. Может наблюдаться межузельный механизм диффузии (при диффузии в металле элементов с малым атомным радиусом) (рис. 15).
Рисунок 15. Механизм перемещения атомов в кристаллической решетке металла
Наиболее легко диффузия протекает по поверхности и границам зерен, где сосредоточены дефекты кристаллического строения (вакансии, дислокации и т.д.).
Искажения в кристаллической решётке – это несовершенство правильного геометрического расположения атомов в кристаллическом твердом теле. Дефекты в кристаллах возникают в результате деформации твердого тела, быстрого охлаждения из-за высокой температуры или излучения высокой энергии (например, рентгеновских лучей или или нейтронов, падающих на твёрдое тело. Расположенные в отдельных точках - вдоль линий или на всей поверхности – эти искажения влияют на его механические, электрические и оптические свойства материала.
Различают точечные и линейные дефекты. Первые, в свою очередь, могут быть типу Френкеля, Шоттки или примесными. Дефект Френкеля состоит из одного иона, который смещается из своей нормальной точки решетки, перемещаясь в ближайший промежуток или пространство между атомами решётки. В дефекте Шоттки решётку покидают два иона противоположного знака. Примесные искажения - это чужеродные атомы, которые замещают некоторые из атомов, которые либо составляют твёрдое тело, либо проталкиваются в пустоты.
Линейные несовершенства или дислокации являются линиями, вдоль которых проходят целые ряды атомов в твердом теле. Результирующая неравномерность зазора наиболее заметна вдоль линии, называемой линией дислокации. Линейные дефекты могут ослаблять или укреплять твёрдые тела, поэтому они даже создаются искусственно методом хонингования.
Изучение искажений кристаллической решётки важно для моделирования электрического поведения полупроводников, материалов, используемых в компьютерных микросхемах и других электронных устройствах, а также для оценки их влияния на механические свойства.
Точечные дефекты (нульмерные)
Точечные дефекты в кристаллах представляют собой искажения решётки с нулевой размерностью, т.е. ни в какой размерности они не обладают структурой решётки.
Типичные точечные несовершенства подразделяются на три группы:
примесные атомы в чистом металле;
Вакансии получают путём нагревания в концентрациях, достаточно высоких для количественных исследований. Для получения аналогичных концентраций межузельных атомов точечные искажения можно получить, выполняя внешнюю работу с кристаллом. Такая работа выполняется в атомном масштабе за счет облучения энергоёмкими частицами. Столкновения между посторонними атомами и атомами решётки вызывают смещения последних от мест замещения к местам внедрения. Таким образом, вакансии и междоузлия производятся в равных количествах. Поскольку одна вакансия и одно междоузлие вместе образуют дефект Френкеля, облучение, по сути, является процессом образования такого дефекта. Это невыгодно по сравнению с экспериментальным исследованием межузельных свойств, поскольку радиационно-индуцированные изменения свойств кристаллов всегда включают роль вакансий.
При пластической деформации также образуются вакансии и межузельные частицы. Хотя деформация обходится намного дешевле, чем облучение частицами, метод не стал общепринятой процедурой для создания точечных дефектов, поскольку не позволяет производить контролируемое образование искажений независимо от сложных сетей дислокаций.
Аномально высокие концентрации точечных несовершенств встречаются в некоторых нестехиометрических интерметаллических соединениях. Здесь вакансии и внедрения уже играют роль дополнительных легирующих элементов и имеют в этом смысле термодинамическое значение.
Другие методы получения точечных дефектов - быстрая закалка, испарение на холодных подложках или лазерный отжиг - зависят от термически активированного производства.
В чистых металлах и в большинстве сплавов вакансии обеспечивают термически активированный перенос атомов и, следовательно, свойства вакансий напрямую влияют на перенос атомов. Свойства вакансии дают информацию о межатомных силах с помощью особых возмущений, которые зависят от вакантного узла решётки.
Линейные (одномерные)
Дефекты кристаллического строения металлов могут проявляться в форме линейных дефектов или дислокаций. Дислокации - это линии, вдоль которых аномально расположены целые ряды атомов твёрдого тела. Результирующая неравномерность зазора наиболее заметна вдоль линии, называемой линией дислокации. Линейные искажения могут ослаблять или упрочнять твердые тела.
Поверхностные (или одномерные) дефекты могут возникать на границе между двумя зёрнами или небольшими кристаллами внутри кристалла большего размера. Ряды атомов в двух разных зёрнах могут проходить в отличающихся направлениях, что приводит к несоответствию на границе зерна. Внешняя поверхность кристалла фактически также является дефектом, потому что атомы вынуждены корректировать свое положение, чтобы приспособиться к отсутствию соседних атомов вне поверхности.
Линейные несовершенства, или, точнее, краевые дислокации, возникают тогда, когда последний слой остается незавершённым, так что в слоях, которые располагаются выше и ниже него, образуется своего рода ступенька. Поскольку длина линейных дефектов в определённом объёме стали или сплава может составлять в сумме один световой год, это открытие должно иметь большое практическое значение, поскольку структура стали зависит, среди прочего, от того, насколько она ковкая, жёсткая и пластичная. - свойства, которые материаловеды хотят постоянно оптимизировать.
Поверхностные (двухмерные)
Основная часть исследований в области химии поверхности связана с механизмами реакций на поверхности и идентификацией адсорбированных и реагирующих частиц.
Однако небольшое количество исследователей интересуются влиянием поверхности на возникновение и развитие дефектов. Структура поверхности на атомарном уровне может определять свойства материала.
Известно, что несовершенства структуры кристаллов, являясь активными центрами, контролируют многие механические и химические свойства твёрдых тел. С увеличением общего количества поверхностных дефектов растёт число атомов с различным числом разорванных связей.
Двухмерные искажения подразделяются на три группы:
Возникающие на границах зёрен.
Границы зон двойникования.
Все поверхностные структуры получаются в результате различной ориентации смежных кристаллических решёток.
Объемные (трехмерные)
Междуузельные соединения являются наиболее распространенным представителем объёмных дефектов.
Трёхмерные искажения решётки образуются из-за большого возмущения её размеров. Следствием такого возмущения являются изменения, которые связаны с динамическими и статическими свойствами материалов.
Объёмные несовершенства играют ключевую роль в развитии типичных структур повреждений, которые определяют не только микроструктуру, но и микрохимию сплавов.
Читайте также: