Реальні кристали

Надзвичайно важко, практично неможливо дістати ідеальний монокристал достатнього розміру, оскільки:

1) процес кристалізації потрібно проводити в рівноважних умовах, яких практично неможливо досягти через те, що в природі немає абсолютно рівноважних процесів;

2) потрібно цілком виключити вплив будь-яких силових полів і випромінювань;

3) потрібно мати абсолютно чисту хімічну речовину без найменших домішок. Таких ідеальних умов не існує. Тому реальні кристали завжди містять різні дефекти. Дефекти доволі різноманітні. Розглянемо тільки деякі.

Точкові дефекти.

У тому місці, яке в ідеальному кристалі займає атом основної речовини, може виявитися «чужий» атом, атом домішки (рис. 4.6. а), що при­зводить до викривлення крис­талічної решітки навколо ньо­го. Такий дефект називають точковим дефектом заміни.

Якщо «чужий» атом не зміг усунути «хазяїна» з його законного місця, він може розміститися між вузлами решітки. Тоді з'являється точковий дефект проникнення (рис. 4.6. б). Такі дефекти можна усувати, підвищуючи ступінь очищення основної речовини. Утім, іноді є сенс створювати такі дефекти, щоб змінити властивості кристала. Наприклад, проникнення в кристали германію або кремнію, елементів третьої чи п'ятої групи періодичної системи дає змогу створювати кристалічні напівпровідники з електронною або дірковою провідністю.

Інший тип точкових дефектів – це вакансії. Вакансії неодмінно виникають навіть в абсолютно чистому кристалі. Їх поява пов'язана з тепловим рухом атомів. З підвищенням температури зростає кінетична енергія атома, що коливається, а відстані між атомами через ангармонічність коливання збільшуються. Таким чином, атом може зірватися зі свого законного місця й опинитися, скажімо, між вузлами. Тоді на його місці відкривається «вакансія», на яку може претендувати будь-хто із сусідів. Якщо сусідній атом займе цю вакансію, то тепер вже на його місці виникне вакансія. Таким чином, по всьому об'єму кристала блукатимуть вакансії. При температурах, близьких до температури плавлення кристала, імовірність появи нових вакансій різко зростає. Кількість їх збільшується за експо­ненціальним законом:

,

де U – енергія активації; kТ – середня теплова енергія.

Зі збільшенням кількості вакансій кристал починає втрачати стійкість і, зрештою, плавиться, перетворюючись на рідину, причому запобігти появі вакансій неможливо.

В іонних кристалах точкові дефекти виникають парами. Пара з іона між вузлами та вакансії називається дефектом Френкеля. Дві вакансії протилежних знаків утворять дефект Шотткі. Коли б не точкові вакансії, було б важко зрозуміти, як взагалі виникає дифузія в кристалах.

Лінійні дефекти

Лінійним дефектом, або дислокацією, називають лінії в кристалі, уздовж і поблизу яких порушено правильне розміщення атомних площин. Найпростіші види дислокацій – крайова і гвинтова дислокації. Крайова дислокація – це лінія, уздовж якої обривається зайва «атомна півплощина» (рис. 4.7).

Гвинтова дислокація – також порушення у взаємному роз­міщенні атомних площин. У цьому разі кристал утвориться так, що атомна площина закручується у вигляді гелікоїда (рис. 4.8).

Можливі й інші види дислокації. На перший погляд, здається, що для отримання такого серйозного викривлення впорядкованої структури потрібні якісь спрямовані зовнішні дії. Насправді дислокації виникають часто, і їх утворення зумовлене тепловим рухом і нерівноважністю процесу кристалізації. Оскільки поблизу дислокації порушено правильну симетричну структуру криста­ла, то й сили взаємодії нерівноважні. Це, у свою чергу, призводить до появи внут­рішніх напружень. Тому навіть слабкі зовнішні впливи, призводять до перемі­щень і змін форми дислокації. Дислокації поводяться наче живі істоти. Вони мають можливість зміщуватись, закручуватися, розгалуджуватися і навіть «анегілювати».

Такі істотні особливості будови реальних кристалів не можуть не відбитися на їхніх фізичних властивостях. Вже йшлося про те, що дифузія може відбуватися тільки в реальних кристалах.

Зазначимо ще одну принципову відмінність реального кристала від ідеального. Відомо, що окрім оборотних пружних деформацій в твердому тілі можуть відбуватися й необоротні пластичні деформації. Так, під дією сталої сили стержень видовжується, і ця деформація залишається після припинення дії сили. Відбувається незворотній зсув атомних площин. Можна оцінити ту механічну напругу, що може виникнути в ідеальному кристалі для зсуву атомних площин. Вона на кілька порядків перевищує значення, здобуті експериментально. Дефекти – ось причина пластичних деформацій!

Поиск по сайту: