Вопросы на три (Alex.BiT & Рома Edition) (987495), страница 4
Текст из файла (страница 4)
ДЕФЕКТЫ В КРИСТАЛЛАХ (от лат. defectus — недостаток, изъян), нарушения периодичности кристаллической структуры в реальных монокристаллах. В идеализированных структурах кристаллов атомы занимают строго определённые положения, образуя правильные трёхмерные решётки (кристаллические решётки). В реальных кристаллах (природных и искусственно выращенных) наблюдаются обычно различные отступления от правильного расположения атомов или ионов (или их групп). Такие нарушения могут быть либо атомарного масштаба, либо макроскопических размеров, заметные даже невооружённым глазом (см. Дефекты металлов). Помимо статических дефектов, существуют отклонения от идеальной решётки другого рода, связанные с тепловыми колебаниями частиц, составляющих решётку (динамические дефекты, см. Колебания кристаллической решётки).
Д. в к. образуются в процессе их роста (см. Кристаллизация), под влиянием тепловых, механических и электрических воздействий, а также при облучении нейтронами, электронами, рентгеновскими лучами, ультрафиолетовым излучением (радиационные дефекты) и т.п.
Различают точечные дефекты (нульмерные), линейные (одномерные), дефекты, образующие в кристалле поверхности (двумерные), и объёмные дефекты (трёхмерные). У одномерного дефекта в одном направлении размер значительно больше, чем расстояние между соседними одноимёнными атомами (параметр решётки), а в двух других направлениях — того же порядка. У двумерного дефекта в двух направлениях размеры больше, чем расстояние между ближайшими атомами, и т.д.
Точечные дефекты. Часть атомов или ионов может отсутствовать на местах, соответствующих идеальной схеме решётки. Такие дефектные места называются вакансиями. В кристаллах могут присутствовать чужеродные (примесные) атомы или ионы, замещая основные частицы, образующие кристалл, или внедряясь между ними. Точечными Д. в к. являются также собственные атомы или ионы, сместившиеся из нормальных положений (межузельные атомы и ионы), а также центры окраски — комбинации вакансий с электронами проводимости (F-центры), с примесными атомами и электронами проводимости (Z-центры) либо с дырками (V-центры). Центры окраски могут быть вызваны облучением кристаллов.
В ионных кристаллах, образованных частицами двух сортов (положительными и отрицательными), точечные дефекты возникают парами. Две вакансии противоположного знака образуют дефект по Шотки. Пара, состоящая из межузельного иона и оставленной им вакансии, называется дефектом по Френкелю.
Атомы в кристаллах располагаются на равном расстоянии друг от друга рядами, вытянутыми вдоль определённых кристаллографических направлений. Если один атом сместится из своего положения под ударом налетевшей частицы, вызванной облучением, он может, в свою очередь, сместить соседний атом и т.д. Таким образом смещённым окажется целый ряд атомов, причём на каком-то отрезке ряда атомов один атом окажется лишним. Такое нарушение в расположении атомов или ионов вдоль определённых направлений с появлением лишнего атома или иона на отдельном участке ряда называется краудионом. Облучение выводит из положения равновесия атомы или ионы и в др. направлениях, причём движение передаётся по эстафете всё более далеко отстоящим атомам. По мере удаления от места столкновения налетевшей частицы с атомом кристалла передача импульса оказывается локализованной (сфокусированной) вдоль наиболее плотно упакованных направлений. Такая эстафетная передача импульса налетевшей частицы ионам или атомам кристалла с постоянной фокусировкой импульса вдоль плотно упакованных атомных рядов называется фокусоном.
Линейные дефекты. В реальных кристаллах некоторые атомные плоскости могут обрываться. Края таких оборванных (лишних) плоскостей образуют краевые дислокации. Существуют также винтовые дислокации, связанные с закручиванием атомных плоскостей в виде винтовой лестницы, а также более сложные типы дислокаций. Иногда линейные Д. в к. образуются из скопления точечных дефектов, расположенных цепочками (см. Дислокации).
Двумерные дефекты. Такими Д. в к. являются границы между участками кристалла, повёрнутыми на разные (малые) углы по отношению друг к другу; границы двойников (см. Двойникование), дефекты упаковки (одноатомные двойниковые слои), границы электрических и магнитных доменов, антифазные границы в сплавах, границы включений другой фазы (например, мартенситной), границы зёрен (кристаллитов) в агрегатах кристаллов. Многие из поверхностных дефектов представляют собой ряды и сетки дислокаций, а совокупность таких сеток образует в поликристаллах границы зёрен; на этих границах собираются примесные атомы и инородные частицы.
Объёмные дефекты. К ним относятся скопления вакансий, образующие поры и каналы; частицы, оседающие на различных дефектах (декорирующие), например пузырьки газов, пузырьки маточного раствора; скопления примесей в виде секторов (песочных часов) и зон роста.
В кристаллах дефекты вызывают упругие искажения структуры, обусловливающие, в свою очередь, появление внутренних механических напряжений (см. Напряжение механическое). Например, точечные дефекты, взаимодействуя с дислокациями, упрочняют или разупрочняют кристаллы. Д. в к. влияют на спектры поглощения, спектры люминесценции, рассеяние света в кристалле и т.д., изменяют электропроводность, теплопроводность, сегнетоэлектрические свойства (см. Сегнетоэлектрики), магнитные свойства и т.п. Подвижность дислокаций определяет пластичность кристаллов, скопления дислокаций вызывают появление внутренних напряжений и разрушение кристаллов. Дислокации являются местами скопления примесей. Дислокации препятствуют процессам намагничивания и электрической поляризации благодаря взаимодействию с границами доменов. Объёмные дефекты снижают пластичность, влияют на прочность, на электрические, оптические и магнитные свойства кристалла так же, как и дислокации.
ДИСЛОКАЦИИ в кристаллах, дефекты кристалла, представляющие собой линии, вдоль и вблизи которых нарушено характерное для кристалла правильное расположение атомных плоскостей. Д. и другие дефекты в кристаллах определяют многие физические свойства кристаллов, называемые структурно-чувствительными. В частности, механические свойства кристаллов — прочность и пластичность — обусловлены существованием Д. и их особенностями.
Типы Д. Простейшими видами Д. являются краевая и винтовая Д. В идеальном кристалле соседние атомные плоскости параллельны на всём своём протяжении. В реальном кристалле атомные плоскости часто обрываются внутри кристалла (рис. 1, а), при этом возникает краевая Д., осью которой является край «лишней» полуплоскости. Применение электронных микроскопов с большой разрешающей способностью позволяет наблюдать в некоторых кристаллах специфичное для краевой Д. расположение атомных рядов.
Образование краевой Д. можно представить себе, если надрезать кристалл по части плоскости ABCD (рис. 1, б), сдвинуть нижнюю часть относительно верхней на одно межатомное расстояние b в направлении, перпендикулярном к АВ, а затем вновь соединить атомы на противоположных краях разреза. Оставшаяся лишняя полуплоскость обрывается вдоль краевой Д. АВ. Вектор b, величина которого равна межатомному расстоянию, называется вектором сдвига (вектор Бюргерса). Плоскость, проходящая через вектор сдвига и линию Д., называется плоскостью скольжения краевой Д.
Если направление сдвига b не перпендикулярно, а параллельно границе надреза АВ, то получается винтовая Д. (рис. 2, а). В отличие от краевой Д., у винтовой Д. плоскостью скольжения является любая кристаллографическая плоскость, проходящая через линию АВ. Кристалл с винтовой Д. уже не состоит из параллельных атомных плоскостей, скорее его можно рассматривать состоящим из одной атомной плоскости, закрученной в виде геликоида или винтовой лестницы без ступенек (рис. 2, б). На рис. 2а, показано расположение атомов выше (белые кружки) и ниже (чёрные кружки) плоскости скольжения в простой кубической решётке с винтовой Д. Если винтовая Д. выходит на внешнюю поверхность кристалла, то в точке выхода А (рис. 2, б) обрывается ступенька AD высотой в толщину одного атомного слоя. Эта ступенька активно проявляет себя в процессе кристаллизации. Атомы вещества, выпадающие из пара или раствора, легко присоединяются к ступеньке на поверхности растущего кристалла. Количество атомов, захватываемых ступенькой, и скорость смещения ступеньки по поверхности кристалла больше вблизи выхода Д. Поэтому ступенька закручивается вокруг оси Д. Ступенька последовательно поднимается с одного кристаллического «этажа» на другой, что приводит к спиральному росту кристалла.
Между предельными случаями краевой и винтовой Д. возможны любые промежуточные, в которых линия Д. составляет произвольный угол с вектором сдвига (смешанная Д.). Линия Д. не обязательно должна быть прямой, она может представлять собой произвольную кривую. Линии Д. не могут обрываться внутри кристалла, они должны либо быть замкнутыми, образуя петли, либо разветвляться на несколько Д., либо выходить на поверхность кристалла. Плотность Д. в кристалле определяется как среднее число линий Д., пересекающих проведённую внутри тела площадку в 1 см2, или как суммарная длина Д. в 1 см3. Плотность Д. обычно колеблется от 102 до 103 на 1 см2 в наиболее совершенных монокристаллах и доходит до 1011—1012 на 1 см2 в сильно искажённых (наклёпанных) металлах (см. ниже).
Д. — источники внутренних напряжений. Участки кристалла вблизи Д. находятся в упруго напряжённом состоянии. Напряжения убывают обратно пропорционально расстоянию от Д. Поля напряжений вблизи отдельных Д. выявляются (в прозрачных кристаллах с низкой плотностью Д.) с помощью поляризованного света (см. Фотоупругость). В зависимости от взаимной ориентации векторов сдвига двух Д. они притягиваются или отталкиваются. При сближении двух Д. с одинаковыми векторами сдвига (рис. 3, а) увеличивается сжатие кристалла по одну сторону от плоскости скольжения и растяжение — по другую сторону. При сближении Д. с противоположными векторами сдвига сжатие и растяжение по обе стороны от плоскости скольжения взаимно компенсируются (рис. 3, б, в, г). Величина упругой энергии, обусловленной полем напряжений Д., пропорциональна b2 и составляет обычно величину ~ 10-4 эрг на 1 см длины Д.
Перемещение Д. Д. могут перемещаться в кристалле, вызывая его пластическую деформацию. Перемещение Д. в плоскости скольжения называется скольжением. В результате скольжения одной Д. через кристалл происходит пластический сдвиг на одно межатомное расстояние b (рис. 4). При перемещении Д. в плоскости скольжения в каждый данный момент разрываются и пересоединяются связи не между всеми атомами на плоскости скольжения (рис. 4, а), а только между теми атомами, которые находятся у оси Д. (рис. 4, б). Поэтому скольжение Д. происходит при сравнительно малых внешних напряжениях. Эти напряжения на несколько порядков ниже, чем напряжение, при котором может пластически деформироваться совершенный кристалл без Д. (теоретическая прочность на сдвиг, см. Пластичность). Сдвиговую прочность, близкую к теоретической, могут иметь, например, нитевидные кристаллы (усы), не содержащие Д.
Перемещение краевой или смешанной Д. в направлении, перпендикулярном к плоскости скольжения, называется переползанием (восхождением). Оно осуществляется путём диффузии атомов (или встречного движения вакансий) из кристалла к краю полуплоскости, образующему Д. (рис. 5). Т. к. скорость диффузии очень резко (экспоненциально) уменьшается с понижением температуры, переползание происходит с заметной скоростью только при достаточно высоких температурах. Если кристалл с Д. находится под нагрузкой, то потоки атомов и вакансий направлены так, чтобы упругие напряжения уменьшились. В результате происходит пластическая деформация кристалла не за счёт скольжения, а за счёт переползания Д. Т. о., пластическая деформация кристалла с Д. всегда представляет собой движение Д. При этом скорость пластической деформации кристалла оказывается прямо пропорциональной плотности движущихся Д. и их средней скорости. Пластическая деформация кристалла без Д. осуществляется путём диффузии точечных дефектов.
Подвижность Д. Скольжению Д. препятствует не только прочность разрываемых межатомных связей, но и рассеяние тепловых колебаний атомов и электронов проводимости (в металлах) в упруго искажённой области кристалла, окружающей движущиеся Д., а также упругое взаимодействие с др. Д., с атомами примесных элементов в твёрдых растворах, межзёренные границы в поликристаллах, частицы др. фазы в распадающихся сплавах, двойники (см. Двойникование) и др. дефекты в кристаллах. На преодоление этих препятствий тратится часть работы внешних сил. В результате этого подвижность Д. зависит от структуры решётки тем больше, чем меньше дефектов содержит кристалл. Скорость скольжения Д. резко возрастает с напряжением, но не превосходит скорости распространения звука в кристалле. Скорость переползания пропорциональна напряжению.
Образование и исчезновение Д. Обычно Д. возникают при образовании кристалла из расплава или из газообразной фазы (см. Кристаллизация). Методы выращивания монокристаллов, совсем не содержащих Д., очень сложны и разработаны только для немногих кристаллических веществ. После тщательного отжига кристаллы содержат обычно 104—105 Д. на 1 см2. При малейшей пластической деформации такого кристалла Д. интенсивно «размножаются» (рис. 6), без чего невозможна значительная пластическая деформация кристалла. Если бы новые Д. не рождались в кристалле, то деформация прекратилась бы после выхода на поверхность кристалла всех имеющихся в нём Д.
Притягивающиеся Д. с противоположным вектором сдвига, лежащие в одной плоскости скольжения, при сближении уничтожают друг друга (аннигилируют, рис. 3, б, в, г). Если такие Д. лежат в разных плоскостях скольжения, то для их аннигиляции требуется переползание. Поэтому при высокотемпературном отжиге, способствующем переползанию, понижается плотность Д.
Д. — источник кривизны решётки. Участки кристалла, разделённые рядами (рис. 7) или сетками из Д., имеют различную ориентацию атомных плоскостей и называются кристаллическими блоками. Если Д. расположены равномерно по объёму кристалла, то блочной структуры нет, но решётка искривлена (рис. 8).
Искривление атомных плоскостей и искажение межплоскостных расстояний вблизи Д. увеличивают интенсивность рассеяния рентгеновских лучей и электронов. На этом основаны рентгеновские и электронномикроскопические методы наблюдения Д.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
