Дефекты кристаллических решеток

Дефекты кристаллических  решеток.

Дефекты: точечные, линейные, поверхностные, объёмные. Точечные: внедрение, вакансия, вызывают искажения. Линейные: дислокации, определяют высокую пластичность материала, эффект имеет длину. Поверхностные: границы  зёрен, резко повышают пластичность и снижают прочность материала. Объёмные – порог в металле, дефекты  имеют объём.  

Из термодинамики  Дефекты известно, что всякая система  стремится к минимуму свободной  энергии (F), где F является разностью  между внутренней энергией системы U и связанной энергией системы  ТS. F = U - TS  

Поэтому появление  в кристаллической решетке дефектов может оказаться энергетически выгодным.

Все дефекты  кристаллической решетки принято  делить на две большие группы: геометрические дефекты и энергетические дефекты. При появлении в решетке геометрических дефектов кристаллическая решетка локально искажается. При наличии энергетических дефектов атомы остаются на своих местах, но энергия одного или группы атомов оказывается повышенной.

Точечные дефекты  решетки

К ним относятся  атомы инородных элементов (легирующих элементом или примесей), межузельные атомы (атомы основного элемента, по каким-либо причинам покинувшие узлы кристаллической решетки и застрявшие в междоузлиях), вакансии или не занятые атомами узлы кристаллической решетки. При наличии в кристаллической решетки вакансии атом может перескочить из узла решетки в вакантное место. Тем самым вакансия смещается, и процесс диффузии можно описывать как последовательное перемещение атомов или как движение вакансий. Атом выходит на поверхность кристалла, и образующаяся вакансия мигрирует (перемещается) в глубь кристалла. Появление в кристаллической решетке дефектов приводит к смещению некоторых ионов из равновесных положений, и дифрагированные волны становятся некогерентными. С ростом температуры концентрация вакансий растет, а, следовательно, увеличивается удельное электросопротивление.  

Деформация происходит путем послойного смещения одной  части кристалла относительно другой.

Под действием  механических напряжений атомы в  узлах кристаллической решетки  одновременно смещаются вдоль плотноупакованных плоскостей в плотноупакованных направлениях. Это обстоятельство позволяет предположить, что в металлах имеются легко подвижные дефекты - дислокации.

Согласно этой модели, в кристалле имеется оборванная плоскость - экстраплоскость. Вблизи обрыва экстраплоскости остальные плоскости кристаллической решетки изгибаются. Таким образом, вблизи края экстраплоскости кристаллическая решетка искажена. Величина искажений кристаллической решетки быстро снижаются при удалении от края экстраплоскости, но сохраняется при движении вдоль линии обрыва. Поэтому такую дислокацию называют краевой.

Материалы с  плотноупакованными кристаллическими решетками - металлы - обладают высокой пластичностью.

 Поверхностные  дефекты кристаллической решетки.

К поверхностным  дефектам решетки относятся дефекты  упаковки и границы зерен.

Обозначим первый слой атомов буквой А. Для создания следующей плотноупакованной плоскости  необходимо поместить атомы во впадины между атомами первого слоя. Как видно из рисунка 17, имеются два вида впадин: впадины типа В и впадины типа С. Очевидно, что одновременно во впадины обоих типов атомы расположить невозможно. Предположим, что второй слой атомов расположен во впадинах типа В, обозначим этот слой атомов В. Третий слой атомов можно расположить либо во впадины, совпадающие с центрами атомов первого слоя, либо во впадины второго типа не совпадающие с атомами первого слоя. В первом случае получается чередование слоев:

АВАВАВАВАВАВАВАВАВ...,

Во втором случае чередование слоев типа:

АВСАВСАВСАВСАВСАВС...,

Чередование слоев  типа  АВАВАВ  типично для гексагональной плотноупакованной решетки, чередование  слоев типа АВСАВСАВС – для  гранецентрированной кубической решетки.

При нарушении  чередования слоев внутри одной  решетки появляется прослойка другой решетки: АВСАВСАВСАВАВСАВС. При этом кристаллическая решетка искажается, и ее энергия возрастает.

Появление дефектов упаковки связано с движением  частичных дислокаций. Как отмечалось выше, при появлении дислокаций кристаллическая  решетка искажается, и энергия  системы возрастает на величину, пропорциональную квадрату вектора Бюргерса Е~|b2|. Поэтому дислокации могут расщепляться на две частичные дислокации, bàb/2 +b/2. Это ведет к снижению энергии упругих искажений решетки вокруг дислокаций |b/2|2 +|b/2|2 <|b|2.

При движении обычной полной дислокации атомы  последовательно становятся из одного равновесного положения в другое, а при движении частичной дислокации атомы переходят в новые положения, нетипичные для данной кристаллической решетки. В результате в материале появляется дефект упаковки.

Поэтому материалы  с низкой энергией дефекта упаковки прочнее материалов с высокой  энергией дефекта упаковки. 

Наиболее  важными поверхностными дефектами являются большеугловые и малоугловые границы.

Границы между  зернами называются большеугловыми, так как соответственные кристаллографические направления в соседних зернах образуют углы в десятки градусов. Каждое зерно, в свою очередь, состоит из субзерен или блоков.

Субзерно представляет собой часть кристалла относительно правильного строения. Границы субзерен представляют собой стенки дислокаций, которые разделяют зерно на отдельные субзерна или блоки.Угол взаимной разориентации между соседними субзернами невелик, поэтому такие границы называются малоугловыми. На малоугловых границах также скапливаются примеси. 

К энергетическим дефектам решетки относятся: дырки - дополнительно ионизированные ионы, дислоцированные электроны, пары электрон-дырка или экситоны (возбужденные атомы), фононы-кванты колебаний кристаллической решетки.

      1

Появление любых  точечных дефектов ведет к снижению электросопротивления материалов с ионной связью.

В материалах с  ковалентной связью присутствие  вакансий приводит к обрыву ковалентной  связи и появлению на валентной  оболочке атома неспаренного электрона. Наличие неспаренных электронов энергетически невыгодно, и атом теряет его. Таким образом, в материале появляются два носителя заряда: отрицательно заряженный свободный (делокализованный) электрон и положительно заряженная дырка. Следовательно, увеличение концентрации вакансий ведет к падению удельного электрического сопротивления материалов с ковалентной связью.

Плотность дислокаций - суммарная длина всех линий дислокаций в единице объема. При холодном пластическом деформировании плотность дислокаций возрастает. Попытка увеличить плотность свыше 1012 см-2 быстро приводит к появлению трещин и разрушению металла. Дислокации появляются при кристаллизации, плотность их большая, поэтому они значительно влияют на свойства материалов. Дислокации наряду с другими дефектами участвуют в фазовых превращениях, рекристаллизации, служат готовыми центрами при выпадении второй фазы из твердого раствора. Вдоль дислокаций скорость диффузии на несколько порядков выше, чем через кристаллическую решетку без дефектов. Дислокации служат местом концентрации примесных атомов, в особенности примесей внедрения, так как это уменьшает искажения решетки. Примесные атомы образуют вокруг дислокации зону повышенной концентрации-так называемую атмосферу Коттрелла, которая мешает, движению дислокаций и упрочняет металл.

Особенно велико влияние дислокаций на прочность  кристаллов. При значительном увеличении плотности дислокаций и уменьшении их подвижности прочность увеличивается в несколько раз по сравнению с отожженным состоянием

В полупроводниках  дислокации влияют на электрические  и другие свойства, снижают электрическое  сопротивление, уменьшают время жизни носителей. Значение дислокаций особенно возрастает в микроэлектронике, где применяются тонкие пленочные кристаллы, и дислокации играют роль тонких проводящих каналов, вдоль которых легко перемещаются атомы примеси.

Объёмные  дефекты кристаллической решетки.

К объёмным, или  трехмерным дефектам кристаллической  решетки относятся трещины и поры. Наличие трещин резко снижает прочность как материалов на металлической основе, так и неметаллических материалов. Это связано с тем, что острые края трещин являются концентраторами напряжений. Важно отметить, что при одинаковой геометрии трещин пластичность металлических материалов остается выше, чем неметаллических. Природа этого различия состоит в том, что в металлических материалах в области концентрации напряжений облегчается генерация дислокаций, и пластическая деформация материала приводит к затуплению трещин. В неметаллических материалах кристаллическая решетка упакована неплотно, подвижность дислокаций невелика, следовательно, затупление острых краев трещин за счет пластической деформации невозможно.

При появлении  в материале дырок и дислоцированных  электронов проводимость диэлектриков и полупроводников возрастает. В металлических материалах существование дырок невозможно, поскольку свободные электроны моментально заполняют их. При поглощении ионом энергии, достаточной для отрыва электрона и образования дырки, но недостаточной для переноса электрона на относительно большое расстояние от дырки, возникает пара электрон-дырка, или экситон. Экситоны электрически нейтральны, поэтому их движение не приводит к переносу заряда, однако перемещение экситонов ведет к переносу энергии. При взаимной аннигиляции дырки и электрона выделяется квант электромагнитной энергии, который, поглощаясь каким-либо ионом, вновь приводит к образованию экситона. Поскольку в состав экситона входит свободный электрон, то при появлении в кристаллической решетке экситонов прозрачность кристалла для электромагнитного излучения падает. 

Идеальная кристаллическая  решетка представляет собой многократное повторение элементарных кристаллических ячеек. Для реального металла характерно наличие большого количества дефектов строения, нарушающих периодичность расположения атомов в кристаллической решетке. Эти дефекты оказывают существенное влияние на свойства материала. 
Различают три типа дефектов кристаллического строения: точечные, линейные и поверхностные. 
Точечные дефекты (рис. 1.5) характеризуются малыми размерами во всех трех измерениях. Величина их не превышает нескольких атомных диаметров. К точечным дефектам относятся: а) свободные места в узлах кристаллической решетки — вакансии (дефекты Шоттки); б) атомы, сместившиеся из узлов кристаллической решетки в межузельные промежутки — дислоцированные атомы (дефекты Френкеля); в) атомы других элементов, находящиеся как в узлах, так и в междоузлиях кристаллической решетки — примесные атомы. 
Рис.1.5. Точечные дефекты в кристаллической решетке: 
а) вакансия; б) дислоцированный атом 
Точечные дефекты приводят к локальным изменениям межатомных расстояний и, следовательно, к искажениям кристаллической решетки. При этом увеличивается сопротивление решетки дальнейшему смещению атомов, что способствует некоторому упрочнению кристаллов и повышает их электросопротивление. 
Линейные дефекты  
Линейные дефекты характеризуются малыми размерами в двух измерениях, но имеют значительную протяженность в третьем измерении. Наиболее важный вид линейных дефектов — дислокации 
Линейные деформации. Вблизи линии дислокации атомы смещены со своих мест и кристаллическая решетка искажена, что вызывает образование поля напряжений: выше линии дислокации решетка сжата, а ниже растянута.

Дислокации образуются уже при кристаллизации металлов, а также в ходе пластической деформации и фазовых превращений. Плотность  дислокаций может достигать большой величины. 
Поверхностные дефекты. Поверхностные дефекты имеют малую толщину и значительные размеры в двух других измерениях. Обычно это места стыка двух ориентированных участков кристаллической решетки.

Рис. 1.9. Схема движения дислокации по аналогии  
с перемещением складки на ковре

 
Рис. Рис. 1.11. Схема малоугловой границы между блоками.

На рис. 1.12 показано, что границы зерен и фаз  могут совпадать (когерентные), совпадать  частично (полукогерентные) и не совпадать (некогерентные). 
Граница между зернами представляет собой узкую переходную зону шириной 5–10 атомных расстояний с нарушенным порядком расположения атомов. В граничной зоне кристаллическая решетка одного зерна переходит в решетку другого (рис. 1.13). Неупорядоченное строение переходного слоя усугубляется скоплением в этой зоне дислокаций и повышенной концентрацией примесей. 
Плоскости и направления скольжения в соседних зернах не совпадают. Скольжение первоначально развивается в наиболее благоприятно ориентированных зернах. Разная ориентировка систем скольжения не позволяет дислокациям переходить в соседние зерна, и, достигнув границы зерен, они останавливаются. Напряжения от скопления дислокаций у границ одних зерен упруго распространяются через границы в соседние зерна, что приводит в действие источники образования новых дислокаций (источники Франка—Рида). Происходит передача деформации от одних зерен к другим, подобно передаче эстафеты в легкоатлетических соревнованиях. 
Вследствие того, что границы зерен препятствуют перемещению дислокаций и являются местом повышенной концентрации примесей, они оказывают существенное влияние на механические свойства металла. 
Рис. 1.12. Схема межфазных границ:  
а) когерентные; б) полукогерентные; в) некогерентные

Рис. 1.12. Схема межфазных границ:  
а) когерентные; б) полукогерентные; в) некогерентные Рис. 1.13(справа). Схема строения зерен и границ между ними  

Все металлы  являются поликристаллами, поскольку  они состоят из огромного количества анизотропных кристаллов. В связи  с тем что кристаллы ориентированы по отношению друг к другу под незначительным углом (10-15'), тело металла имеет во всех направлениях более или менее одинаковые свойства (усредненные). Поликристаллическое тело изотропное, но эта изотропность мнимая, называемая квазиизотропией (по-латыни квази — мнимый). В результате обработки металлов давлением в холодном состоянии (прокатка, штамповка) изотропная структура может получить частичную анизотропию свойств из-за того, что часть кристаллов будет ориентирована в определенном направлении.