ДЕФЕКТЫ В ТВЕРДЫХ ТЕЛАХ

Любые отклонения от периодической структуры кристалла (нарушения правильного расположения атомов или ионов в узлах кристаллической решетки) можно рассматривать как появление дефектов.

В зависимости от их геометрии дефекты подразделяются на точечные (нульмерные), линейные (одномерные), поверхностные (двумерные) и объемные (трехмерные).

Типичными представителями точечных дефектов являются вакансии, междоузельные атомы, примесные атомы внедрения и замещения (в разбавленных твердых телах), центры окраски.

Вакансия – простейший дефект (обозначается “””) – узел решетки, в котором отсутствует атом или ион. В ионных кристаллах дефекты Шоттки обычно образуются в виде пары из двух вакансий противоположного заряда ввиду необходимости соблюдения требования электронейтральности.

В щелочногалоидных кристаллах образованием вакансий довольно просто управлять, в частности, введением двухзарядных ионов. Например, если в процессе выращивания кристалла KCl ввести CaCl₂, то ион Ca⁺², располагаясь в узле решетки заместит один катион (K⁺), на два аниона Cl^-. В итоге образуется одна катионная вакансия.

Один из путей образования вакансий в простых веществах – испарение атомов с поверхности с последующим переходом на их места атомов из низлежащих слоев. Этот процесс можно рассматривать как движение вакансий от поверхности вглубь кристалла. В итоге формируются структуры разрыхления.

В простейшем случае в состоянии теплового равновесия вероятность образования вакансий (Р) определяется энергией Е , необходимой для перемещения атома из узла решетки внутри кристалла в узел на поверхности:

. (7.1)

Тогда равновесная концентрация вакансий приближенно (при условии << N) равна:

. (7.2)

Оценка по этому уравнению в случае Е ~ 1 эВ, Т ~ 1000 К дает значение ~ 10^-5, то есть ориентировочно около 10¹⁷ вакансий на 1 см³ кристалла.

Наряду с дефектами Шоттки к важнейшим точечным дефектам относятся дефекты Френкеля, представляющие собой комбинацию межузельного атома и вакансии. Как и дефекты Шоттки, эти дефекты возникают при нагревании, а также при облучении потоком ядерных частиц (например, потоком быстрых электронов). Равновесная концентрация С_Fr дефектов Френкеля определяется температурой, исходной концентрацией узлов (С_i) и междоузельных положений (), а также характерными частотами колебаний атомов решетки при наличии этих дефектов (n) и при их отсутствии (n ):

. (7.3)

В этом уравнении энергия активации DЕ_Fr необходима для смещения атома из узла в междоузлие.

Точечные дефекты, поглощающие видимый свет в спектральном диапазоне, в котором отсутствует собственное поглощение кристалла, называют центрами окраски.

Первыми обнаруженными центрами окраски были F-центры, представляющие собой анионные вакансии, захватившие электрон. Затем были обнаружены и другие виды центров окраски: F^- или F - анионная вакансия, захватившая два электрона; F₂ (или М-центр) – электрон, захваченный двойной анионной вакансией; R-центр – три соседних F-центра в щелочногалоидных кристаллах и др.

Наряду с электронными, известны дырочные центры окраски, например, V_k – “ автолокализованная “ дырка в ионном кристалле, а также центры, связанные с внедрением водорода (U-центры), частиц коллоидного металла (X-центры) и др.

Как правило, центры окраски образуются в результате действия актиничного (с энергией квантов, превышающей ширину запрещенной зоны кристалла) электромагнитного (УФ-, рентгеновское, g) либо ионизирующего (a -, b, нейтроны) излучения. Типичный пример образования F-центра в кристалле NaCl включает генерацию электронно-дырочной пары при действии g-излучения в вакууме, захват дырки анионом Cl^- с образованием атомарного Cl, уход которого из решетки вызывает образование анионной вакансии, и последующим захватом электрона этой вакансией.

Достаточно легко образуются F-центры в ZnO, MgO, TiO₂, WO₃ при УФ облучении в условиях вакуума. При нагревании, а иногда и при действии кислорода воздуха при комнатной температуре, они могут разрушаться, и кристалл обесцвечивается. В некоторых случаях, процессы фотоиндуцированного окрашивания и обесцвечивания являются хорошо обратимыми, что составляет основу использования так называемых фотохромных материалов, обратимо темнеющих при действии света.

Поиск по сайту: