Дефекты кристаллов

Приведенные на рис. 1.6 модели кристаллических решеток соответствуют идеальным кристаллам при температуре, близкой к абсолютному нулю. Структура реальных кристаллических тел в большей или меньшей степени отличается от идеальной за счет обязательного присутствия в них того или иного количества несовершенств, или дефектов кристаллической решетки.

Дефекты кристаллического строения оказывают большое влияние на все свойства кристаллических тел: механические, магнитные, электрические, оптические и даже химические. Рассмотрим основные виды дефектов.

Точечные (нульмерные) дефекты имеют размеры порядка диаметра атома. Основной причиной их возникновения является переход атомов за счет теплового движения из узлов кристаллической решетки в междоузлие. Точечные дефекты обязательно присутствуют в любом кристалле, и при увеличении температуры количество их увеличивается.

Точечный дефект, представляющий собой незаполненное место в узле кристаллической решетки, называют вакансией (рис.1.6,а) Другие типы точечных дефектов образуются за счет замещения собственного атома в узле кристаллической решетки атомом примеси (рис.1.6,б) или в результате внедрения атома примеси в междоузлие (рис1.6,в).

Своеобразным видом точечных дефектов является отклонение состава вещества от строго стехиометрического, характерное для многих химических соединений. Его можно представит как частичную потерю соединением одного из своих компонентов, например испарением при повышенной температуре, что и имеет место в сульфиде кадмия. Отклонение от точно стехиометрического состава резко меняет электропроводность кристаллов, осложняет технологию их получения.

В процессе кристаллизации твердого тела с уменьшением температуры количество вакансий в кристалле уменьшается, но происходит это не мгновенно, Поэтому для уменьшения количества вакансий охлаждение кристалла должно происходить достаточно медленно.

Линейные (одномерные) дефекты имеют малые размеры в двух измерениях и большую протяженность в третьем измерении. Такие несовершенства, представляющие собой нарушение кристаллической структуры вдоль некоторой линии, называют дислокациями.

Различают краевые и винтовые дислокации. Краевые дислокации возникают за счет образования в кристалле дополнительной полуплоскости.(ABCD, рис.1.7,а) Причиной возникновения винтовых дислокаций является смещение части кристаллической решетки не менее чем на один период (рис.1.7,б). В реальных кристаллах присутствуют смешанные формы краевых и винтовых дислокаций.

Образование дислокаций происходит за счет термических и механических напряжений в процессе кристаллизации, при пластической деформации, термической обработке и др.

Дислокации существенно ухудшают свойства веществ. Например, в металлах наличие дислокаций резко снижает механическую прочность. А в полупроводниках, как например в кремнии, значительно увеличивает проводимость. В местах выхода дислокаций на поверхность кристалла изменяется химическая активность вещества.

Поверхностные (двухмерные) дефекты малы только в одном измерении, они представляют собой поверхности раздела между отдельными зернами или блоками вещества (рис.1.8) Отдельные зерна обычно разориентированы относительно друг друга на углы, достигающие нескольких десятков градусов, что приводит образованию по границам зерен дислокаций и вакансий. Поверхностные дефекты бывают двух типов: наружные и внутренние.

Важным видом поверхностных дефектов является сама поверхность кристалла, представляющая собой естественное нарушение его кристаллической структуры. Свойства поверхностных слоев кристалла существенно отличаются от его объемных свойств.

Объемные (трехмерные) дефекты кристалла имеют существенные размеры во всех трех измерениях. К объемным дефектам относятся пустоты, включения отдельных кристаллических зерен или иной кристаллической модификации. Такие дефекты возникают при изменении условий роста кристалла.

Для получения совершенных монокристаллических тел с минимальным количеством дефектов необходимо тщательно контролировать процесс кристаллизации и избегать попадания посторонних примесей.