Точечные дефекты

Точечные дефекты - самые мелкие дефекты, обычно связаны с "ненормальной" ситуацией вокруг одного атома (отсутствием одного атома, замещением одного атома другим или же появлением "лишнего" атома). Рассмотрим различные точечные дефекты, схематически изображенные на рис. 1.1:

1) Вакансия (дефект по Шотки).

Атом может отсутствовать в некотором узле кристаллической решетки (см. рис. 1.1 (1)). Такое пустое место называют вакансией. 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.

На свободную вакансию может перескочить соседний атом, это будет равнозначно тому, что вакансия переместилась на место этого атома. Движение дефектов в кристаллах весьма характерно. Чем выше температура, тем более вероятен этот процесс.

При комнатных температурах в таких металлах, как свинец пли кадмий, каждая вакансия осуществляет приблизительно один скачок в сутки, но вблизи температуры плавления такие скачки осуществляются десятки тысяч раз в секунду. В результате подобных передвижений вакансии могут объединиться и образовать более крупные макроскопические нарушения, но могут и исчезать, если при перемещении им удается достигнуть поверхности кри­сталла. Среднее число вакансий в обычном металлическом кристалле объемом в 1 см3равно 1012-1014.

2) Междоузельный атом.

Атом может разместиться не в узле кристаллической решетки, а в промежутке между атомами — междоузлии (см. рис. 1.1 (2)), такой дефект называют междоузельным атомом. Появляется междоузельный атом, как и вакансия, часто 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.

3) Дефект по Френкелю.

Часто вакансия и межузельный атом возникают парами (см. рис. 1.1 (3)), в этом случае один из атомов перескакивает из узлового положения в соседнее междоузлие. Причиной такого перескока может быть тепловое движение при сравнительно высоких температурах, порядка температуры плавления, или выбивание атома быстродвижущейся частицей (радиационный дефект). Такая пара дефектов называется дефектом по Френкелю.

4) Атом примеси.

Один из атомов может быть замещен атомом примеси (см. рис. 1.1 (4)), при этом также получается дефект, называемый примесным атомом замещения. Примесный атом может разместиться и в междоузлии (см. рис. 1.1 (5)), как бы внедрившись в него. Такой дефект, называемый примесным атомом внедрения, часто появляется в случае, когда атом примеси значительно меньше атомов кристалла и в решетке кристалла имеются междоузлия достаточного размера; часто примесями внедрения оказываются атомы водорода, бора, углерода. Если атом примеси превосходит по размерам атомы кристалла, то, как правило, он замещает атомы кристалла.

Часто атомы примеси, отличающиеся валентностью от атомов кристалла, обусловливают появление вакансий, как это происходит в кристаллах KСl при добавлении к нему Ca, так, что кристалл в целом остается нейтральным. В таком случае атом двухвалентного кальция занимает место одного атома калия, а место, где должен был бы находиться атом калия, оказывается пустым (см. рис. 1.1 (6)).

Рис.1.1.
Типы точечных дефектов: 1 - вакансия; 2 - межузельный атом; 3 - дефект по Френкелю; 4 - примесный атом замещения; 5 - примесный атом внедрения; 6 - атом замещения большей валентности

5) Точечные дефекты в кристаллах с ковалентным и вая-дер-ваальсовским типом связей.

Образование вакансий в кристаллах с ковалентным типом связи связано с обрывом химических связей и появлением ненасыщенных валентностей у атомов, находящихся па границе с вакансией. По этой причине вакансия несет на себе некоторый электрический заряд.

Ван-дер-ваальсовская связь, как связь ненаправленная, сходна в этом отношении с металлической. Поэтому точечный дефект молекулярного кристалла (пропущенная молекула) сходен с аналогичным дефектом металлического кристалла. Однако здесь возможны дефекты, связанные с неправильным положением крупных молекул весьма сложной формы. На рис. 1.2 (а) показана полностью упорядоченная структура кристалла из динноцепочечных молекул. Оси молекул расположены перпендикулярно плоскости чертежа. На рис. 1.2 (б) порядок расположения молекул нарушен, хотя центры тяжести их остались на своих местах. Этот случай нарушения возможен только в органических и в неорганических кристаллах с крупными неправильной формы группировками атомов (молекул или радикалов). Пунктирной окружностью на рис. 1.2 (б) показана вакансия, образовавшаяся в результате отсутствия одной из молекул.

Рис.1.2.

Идеальный (а) и дефектный (б) молекулярный кристалл

Дата добавления: 2015-07-11