Радиационные дефекты в кристаллах реферат
Обновлено: 04.07.2024
Функция "чтения" служит для ознакомления с работой. Разметка, таблицы и картинки документа могут отображаться неверно или не в полном объёме!
вакансии постоянно зарождаются и исчезают под действием тепловых флуктуации. По формуле Больцмана равновесная концентрация вакансий пв в кристалле при данной температуре (Т) определится так: (1.1) где п — число атомов в единице объема кристалла, е — основание натуральных логарифмов, k — постоянная Больцмана, Ев — энергия образования вакансий.
Для большинства кристаллов энергия образования вакансий примерно равна 1 эв, при комнатной температуре kT 0,025 эв,
следовательно, При повышении температуры относительная концентрация вакансий довольно быстро растет: при Т = 600° К она достигает 10-5, а при 900° К—10-2.
Аналогичные рассуждения можно сделать относительно концентрации дефектов по Френкелю, с учетом того, что энергия образования внедрений значительно больше (порядка 3—5 эв).
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).
При облучении твердых тел ионами, так же как и быстрыми частицами (нейтронами, протонами, электронами), образуются радиационные дефекты. Это могут быть либо точечные дефекты(вакансии и атомы в межузлиях, комплексы), либо их скопления, либо линейные и плоскостные дефекты типа дислокаций и дефектов упаковки. Интересным специфическим явлениям при облучении ионами являетсяаморфизация полупроводника, т.е. полное разупорядочение структуры. От наличия дефектов и их концентрации зависят многие свойства полупроводника. Поэтому изучения закономерностей образования дефектов иих отжига важно для понимания процесса имплантации, а также для правильного использования этого метода в практике.
Рассмотрим механизм образования дефектов при бомбардировке ионами. Сталкиваясь сатомами мишени, ион передает им кинетическую энергию. Если передаваемая энергия превышает некоторую пороговую энергию Еd, атом мишени выбивается из узла решетки и двигается через кристалл. Сталкиваясь сдругими атомами, он может при подходящей энергии в свою очередь смещать их со своих мест и т.д. таким образом, первичный ион вызывает каскад атомных столкновений, в результате которого возникают разнообразныедефекты. Их полное число и взаимное расположение зависят от характера распространения каскада по кристаллу. На распространение каскада влияет структура кристалла. Часть движущихся атомов попадает в каналырешетки, по которым их движение облегчено. В атомных рядах энергия может передаваться от атома к атому путем последовательных столкновений (фокусировки). Вдоль пути движущегося иона образуется сильноразупорядоченная область(рисунок 4). Размеры и форма этой области зависят от массы, энергии бомбардирующего иона, массы атомов мишени, её температуры структуры кристалла. При достаточно высокой температуре первичныедефекты, мигрируя по кристаллу, могут частично аннигилировать путем рекомбинации или выхода на поверхность, а частично объединяться между собой или с уже имевшимися.
Чтобы читать весь документ, зарегистрируйся.
Связанные рефераты
Дефекты
. Оглавление. 1.0 Введение…3 стр. 1.1 Дефекты трубопроводных конструкций и причины их.
11 Стр. 43 Просмотры
Дефекты
10 Стр. 105 Просмотры
Дефекты
. Виды дефектов железобетонных конструкций зависят от многих факторов, основными из которых.
Радиационный контроль и радиационная безопасност
. Введение………………………………………………………………………. …3 1. Современное состояние исследований радиационного.
ДЕФЕКТЫ ОТЛИВОК. Группы дефектов отливок.
. ДЕФЕКТЫ ОТЛИВОК. Группы дефектов отливок. Дефекты отливок.
Радиационные недостатки в кристаллах, структурные повреждения, образующиеся при облучении кристаллов потоками ядерных частиц и твёрдым электромагнитным (гамма- и рентгеновским) излучением. Структурные микроповреждения приводят к механических и др. физических особенностей кристаллов. Восстановление их особенностей, т. е. уничтожение Р. д. в к., осуществляется при нагревании. Изучение Р. д. в к. началось в середине 40-х гг. с развитием реакторной техники.
В первый раз на возможность разрушения кристаллической решётки благодаря смещения атомов из их равновесных положений при сотрудничестве с осколками деления и быстрыми нейтронами ядер указал Ю. Вигнер в 1942. Тогда же было высказано предположение о том, что такие смещения атомов должны сказываться на особенностях материалов.
Различают простые и сложные Р. д. в к. Несложными являются междоузельный вакансия и атом (см. Недостатки в кристаллах). Такая пара образуется, в то время, когда ядерная частица информирует атому, находящемуся в узле кристаллической решётки, энергию выше некоей пороговой.
Величина E0 зависит от вещества и равна нескольким десяткам эв. Данной энергии достаточно для разрыва межатомных удаления и связей атома на некое расстояние от узла кристаллической решётки. И вакансия, и междоузельный атом владеют высокой подвижностью кроме того при комнатной температуре.
Встретившись в ходе миграции по кристаллу, они смогут рекомбинировать, выйти на поверхность кристалла или закрепиться на недостатках нерадиационного происхождения (примесных атомах, дислокациях, границах зёрен, микротрещинах и т.д.). В случае если энергия, купленная атомом, превышает в пара десятков либо сотен раз E0, то первично смещенный атом, взаимодействуя с окружением, вызывает при перемещении по кристаллу каскад вторичных смещений.
В следствии слияния несложных Р. д. в к. смогут появиться их скопления. Образование скоплений самый возможно в тех случаях, в то время, когда облучение производится частицами высоких энергий, порождающими каскадные процессы. Наряду с этим кроме того маленькие первичные скопления могут служить зародышами, на которых происходит накопление (конденсация) несложных недостатков.
Рост вакансионных скоплений превращает их в поры. Но данный процесс неимеетвозможности происходить непрерывно: с одной стороны, он ограничен относительным уменьшением поверхности конденсации вакансий, с другой — условиями теплового равновесия. В металлах сферические поры неустойчивы, они сдавливаются в плоскости одного из самые плотных ядерных слоев кристалла и образуют кольцевые дислокации.
Наиболее все данные о Р. д. в к. возможно взять, в случае если облучать материалы при низкой температуре (впредь до нескольких К). Появившиеся Р. д. в к. как бы замораживаются, процесс их миграции по кристаллу максимально замедляется. При последующем постепенном нагревании довольно часто отмечается ступенчатая картина восстановления исследуемых особенностей материала.
скорости восстановления и Исследование характера особенностей во времени при температуре самоё резкого их трансформации на границе соседних ступеней (изотермический отжиг) разрешает выяснить энергию активации перемещения Р. д. в к. и особенности их превращений. Р. д. в к. замечают и конкретно, к примеру посредством электронных ионных проекторов и микроскопов.
Изучение Р. д. в к. имеет громадное практическое значение. Разные конструкционные материалы и делящиеся вещества в ядерных реакторах, материалы, находящиеся на борту космических объектов в радиационных поясах Почвы, подвергаются действию потоков нейтронов, протонов, электронов и g-квантов. Знание типа образующихся Р. д. в к., их термической стабильности и превращений, и влияния Р. д. в к. на особенности материалов разрешают прогнозировать работу последних под действием облучения, открывает пути создания радиационно-стойких материалов.
Лит.: Конобеевский С. Т., Воздействие облучения на материалы, М., 1967; Вавилов В. С., Ухин Н. А., Радиационные эффекты в полупроводниковых приборах и полупроводниках, М., 1969; Томпсон М., радиационные повреждения и Дефекты в металлах, пер. с англ., М., 1971.
Читать также:
16. Solar Cell Characterization
Связанные статьи:
Вакансия, недостаток по Шотки, недостаток кристалла, воображающий собой отсутствие атома либо иона в узле кристаллической решётки (рис. 1). В. имеются во…
Недостатки в кристаллах (от лат. defectus — недочёт, недостаток), нарушения периодичности кристаллической структуры в настоящих монокристаллах. В…
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.
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.
Читайте также: