Классификация дефектов
Кристаллы, атомы в которых расположены строго периодически, называют идеальными. Все реальные кристаллы обязательно содержат отклонения от идеальной структуры, такие отклонения принято называть дефектами структуры.
Дефекты структуры разделяют на динамические и статические.
К динамическим дефектам относят искажения кристаллической решетки, вызванные тепловыми колебаниями или же колебаниями атомов в поле проходящей через кристалл электромагнитной волны. Эти дефекты связаны с обратимыми смещениями атомов относительно их равновесных положений, они существуют даже в идеальных кристаллах.
Поскольку атомы колеблются в произвольных направлениях, их мгновенное расположение в какой-либо момент времени отличается от такового в другой момент и является в некоторой степени неупорядоченным. Однако само по себе тепловое движение оказывается причиной только слабого отклонения свойств реального кристалла от идеального, поскольку статистически в среднем центры колебаний расположены в узлах идеальной решетки.
Распределение энергии Максвелла может быть выражено как дискретное распределение энергии:
где Ni является числом молекул имеющих энергию Ei при температуре системы T, N является общим числом молекул в системе и k — постоянная Больцмана. Знаменатель в уравнении (1) известен как каноническая статистическая сумма. Из распределения Больцмана для кинетической энергии молекул известно, что число молекул, обладающих энергией E>Ea, пропорционально:
|
|
|
Статические дефекты связаны с нарушениями в расположении атомов в кристаллической решетке, например один атом в узле решетки отсутствует или замещен другим, или же атомы перегруппировались и сформировали внутри кристалла более крупный дефект.
В дальнейшем под словом дефекты мы будем иметь в виду именно статические дефекты.
В кристаллах дефекты присутствуют всегда. (Даже в монокристаллах).
Дефекты бывают равновесными и неравновесными. Равновесными – значит, обусловливающими минимум свободной энергии. Т.е. их наличие приводит к понижению общей энергии Гиббса системы (т.е. термодинамически выгодно
По своей природе дефекты структуры идеального кристалла разделяют на собственные (или структурные) и примесные (химические). Под химическими дефектами понимают связанные с наличием примесей отклонения от правильной решетки идеального кристалла.
К структурным, собственным, дефектам относят геометрические отклонения от регулярного расположения атомов в идеальном кристалле.
Статические структурные дефекты принято разделять на 4 группы, различающиеся "формой" или геометрией дефекта:
|
|
|
1. Точечные (нульмерные), размеры которых не превышают одного или нескольких межатомных расстояний. Точечные дефекты могут быть как собственными (структурными), например, вакансии и межузельные атомы, так и примесными (химическими), например, атомы замещения, внедерения.
2. Линейные (одномерные), представляющие собой нарушение периодичности в одном измерении. К ним относятся дислокации.
3. Поверхностные (двумерные), к которым относятся границы зерен и двойников, дефекты упаковки, межфазные границы, стенки доменов, поверхность кристалла.
4. Объемные (трехмерные) – например, поры, микротрещины.
Наряду с перечисленными выше, имеется множество сложных и малоизученных структурных дефектов: скопления точечных дефектов в областях, превышающих атомные размеры, петли дислокаций и т. д.
Кроме того, различные дефекты могут проявляться в кристалле не в чистом виде, они взаимно влияют друг на друга и могут взаимодействовать друг с другом.
Именно наличие дефектов определяет свойства материалов. Например, пластическая деформация не что иное, как образование и миграция дислокаций. Соответственно, прочность и пластичность материала сильнее всего зависят от линейных, а также поверхностных и объемных дефектов. Для протекания диффузионно-контролируемых фазовых превращений необходимы вакансии.
|
|
|
Электросопротивление в основном зависит от точечных дефектов. Коэффициент диффузии зависит от концентрации вакансий, а также теплопроводность и электросопротивление. Если фундаментальные физические свойства вещества определяются его химическим составом и кристаллографической структурой, то некоторые изменения этих свойств и придание новых оптических, электронных, механических и других характеристик можно осуществить введением или изменением концентрации дефектов в них.
Точечные дефекты
структурные: вакансия – незанятая позиция кристаллической структуры, междоузельный атом – собственный атом, находящийся в междоузлии.
Примесные: атом замещения – примесной атом, находящийся в узле кристаллической структуры, атом внедрения – примесной атом, находящийся в междузлии.
Наиболее важными дефектами являются вакансии, так как они играют ключевую роль в диффузии.
Часто вакансия появляется при кристаллизации - случайно один узел оказывается пустым, и, если следующий слой атомов закрывает подход атомов из раствора или расплава к пустому узлу-вакансии, то узел может оказаться пустым. Междоузельный атом, как и вакансия, часто появляется при кристаллизации - случайно один из атомов в результате теплового движения попадет в промежуток между соседними атомами, и, если его место займет какой либо другой атом, то междоузельный атом так и останется в новом ненормальном положении.
|
|
|
Причиной возникновения вакансий может быть тепловое движение атомов, в этом случае вакансии называются тепловыми. В результате теплового движения какой-то из атомов приобретает импульс (энергию) достаточный для разрыва связей и покидает свое место, что приводит к образованию френкелевской пары или дефектом Шоттки.
Дефект по Френкелю –образование пары: вакансия и межузельный атом, в этом случае один из атомов перескакивает из узлового положения в соседнее междоузлие. Причиной такого перескока может быть тепловое движение или выбивание атома быстродвижущейся частицей (радиационный дефект). Такая пара дефектов называется дефектом по Френкелю.
Точечные дефекты по Шоттки в основном встречаются в кристаллах с плотной упаковкой, где образование межузельных атомов затруднено или энергетически невыгодно. Некоторые атомы из приповерхностного слоя в результате теплового движения могут выйти из кристалла на поверхность. Вакансия в освободившемся узле может затем мигрировать в объем кристалла. Образование дефектов по Шоттки уменьшает плотность кристалла, т. к. растет его объем при постоянной массе, тогда как при образовании дефектов Френкеля плотность остается неизменной, поскольку объем всего тела не меняется.
Дата добавления: 2015-12-17; просмотров: 31; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!