Особенности строения реальных кристаллов. Основные виды дефектов кристаллов

До сих пор речь шла о так называемых идеальных кристал­лах, пространственная решетка которых является точным повто­рением элементарной ячейки по всем трем направлениям. Эта идеализированная модель оказалась чрезвычайно полезной для понимания природы кристаллов и их классификации. Однако по­пытки оценить на основе этой модели прочность кристаллов ока­зались несостоятельными: расчетная прочность в тысячи раз пре­восходила наблюдаемую в эксперименте.

Мо­дель идеального кристалла не давала объяснения также многим особенностям диффузии и магнитных свойств кристаллов. Необ­ходимо было допустить, что в кристалле имеются элементы бес­порядка — структурные дефекты. Любое отклонение от периодичности в структуре кристалла называют дефектом. Тепловые колебания частиц в узлах решетки при Т>0 уже могут рассматриваться как дефект.

Дефектами считают любые от­клонения от геометрически правильного строения, поэтому и классифицируют их по геометрическому признаку, т. е. размерам и расположению.

Точечные или нульмерные дефекты распространяются лишь на отдельные узлы решетки. Простейший из них — вакансия, т. е. незанятый узел решетки — «атом пустоты», как образно назвал его известный ученый академик Я. И. Френкель (рис.1.6). Кон­центрация вакансий обычно невелика — около 10¹⁵ см^-3, но с по­вышением температуры она растет экспоненциально.

Рис. 1.6. Точечные дефекты: а— вакансия, б — атом в междоузлии

Своеобразным видом точечных дефектов является отклонение состава от строго стехиометрического, характерное для многих химических соединений. Его можно представить как частичную потерю соединением одного из своих компонентов, например ис­парением при повышенной температуре, что и имеет место в суль­фиде кадмия.

Атомы примесей также являются и дефектами структуры, так как они обязательно отличаются размером или числом валентных электронов и искажают решетку кристалла. Меньше нарушают идеальную структуру примеси замещения, атомы ко­торых находятся в узлах решетки. Это возможно, когда свойства примеси и основного вещества близки, причем концентрация при­меси может быть высокой — в этом случае говорят о твердых рас­творах замещения. Если атом примеси внедряется в промежутки решетки основ­ного вещества, твердые растворы могут образоваться только при неболь­шой ее концентрации. Полученные твердые вещества называют твердыми растворами внедрения.

Существование рассмотренных выше точечных дефектов слу­жит иллюстрацией связи между химическим составом и структу­рой. Поэтому в основном предмете материаловедения «состав — структура — свойство» следует иметь в виду не простую последо­вательность стадий изучения, а их тесную связь и взаимное влия­ние, так как состав и структура есть по существу неразрывно свя­занные характеристики строения материалов.

Точечные дефекты, особенно отклонения от стехиометрии, пре­обладают в кристаллах химических соединений и часто оказыва­ют решающее влияние на их электрофизические свойства.

Для элементарных веществ—металлов и полупроводников — точечные дефекты менее критичны. В них главную роль играют линейные или одномерные дефекты — дислокации.

Дислокация представляет собой край оборванной, незавершен­ной плоскости (рис. 1.7) и расположена вдоль линий, образую­щих пространственную решетку. Для кубической решетки, приве­денной на рисунке, протяженность дислокации, перпендикулярна плоскости чертежа. (В целях упрощения рассматриваем только один вид дислокаций, наиболее характерный для монокристаллов полупроводников.)

Рис. 1.7. Краевая дислокация в кристалле

Возникновение дислокаций в кристаллах является следствием механических напряжений — реакций на внешнее нагружение — или внутренних термических напряжений, неизбежных при выра­щивании кристалла. Дислокации и их перемещение под нагрузкой объясняют пластичность металлов.

Влияние дислокаций на электрические свойства объясняется тем, что они нарушают однородность распределения электронов в кристалле. Очевидно, что материалами, наиболее чутко реагирующими на содержание дислокаций, являются полупроводники.

Структурные дефекты, имеющие два измерения, называются поверхностными. При этом имеется в виду не только внешняя noверхность, которая отличается оборванными связями и повышенной энергией, но и внутренние поверхности — плоские или искривлен­ные, разделяющие двойники и несильно (не более чем на едини­цы градусов) разориентированные зерна (рис. 1.8).

Рис. 1.8. Поверхностные дефек­ты: а - смещение рядов атомов; б - размеры краевых дислокаций (d - ха­рактерный размер, a - угловой раз­ворот, а - межатомное расстояние)

Поверхностные дефекты являются грубыми нарушениями струк­туры, обычно они легко различимы и свидетельствуют о браке кристалла. Современная технология выращивания кристаллов по­зволяет свести их концентрацию к минимуму.