Дефекти в кристалічних гратках

Дефекти в кристалах (від лат. defectus – недолік, вада) – порушення періодичності кристалічної структури в реальних монокристалах. В ідеальних структурах кристалів атоми займають строго певні положення, утворюючи правильні тривимірні гратки (кристалічні решітки). У реальних кристалах (природних і штучно вирощених) спостерігаються зазвичай різні відступи від правильного розташування атомів або іонів (або їх груп). Такі порушення можуть бути або атомарного масштабу, або макроскопічних розмірів, помітні навіть неозброєним оком. Крім статичних дефектів, існують відхилення від ідеальних граток іншого роду, пов'язані з тепловими коливаннями частинок, складових граток (динамічні дефекти).

Дефекти в кристалах утворюються в процесі їх зростання, під впливом теплових, механічних та електричних дій, а також при опромінюванні нейтронами, електронами, рентгенівськими променями, ультрафіолетовим випромінюванням (радіаційні дефекти) і тому подібне.

Розрізняють точкові дефекти (нульововимірні), лінійні (одновимірні), дефекти, що створюють у кристалі поверхні (двовимірні), і об'ємні дефекти (тривимірні). У одновимірного дефекту в одному напрямі розмір значно більший, ніж відстань між сусідніми однойменними атомами (параметри граток), а в двох інших напрямах — того ж порядку. У двовимірного дефекту в двох напрямах розміри більші, ніж відстань між найближчими атомами, і так далі.

1.7.1. Точкові дефекти (нульововимірні)

Частина атомів або іонів може бути відсутньою на місцях, відповідних ідеальній схемі граток. Такі дефектні місця називаються вакансіями. У кристалах можуть бути присутні чужорідні (домішкові) атоми або іони, заміщаючи основні частинки, що створюють кристал, або впроваджуючись між ними. Точковими є також власні атоми або іони, що змістилися з нормальних положень (міжвузові атоми та іони), а також центри забарвлення – комбінації вакансій із електронами провідності (F-центри), з домішковими атомами та електронами провідності (Z-центри) або із дірками (V-центри).Центри забарвлення можуть бути викликані опромінюванням кристалів.

Вакансії, що виникли за рахунок відходу атома з вузла на поверхню кристала або яку-небудь межу усередині кристала, називають дефектами Шоткі. У кристалах елементів (зокрема в металах) ними є одиночні вакансії, в іонних кристалах дефект Шоткі – це пара з катіонної і аніонної вакансій. Цей дефект часто зустрічається в лужно-галоїдних кристалах. Наявність дефектів Шоткі зменшує щільність кристала, оскільки атом, що утворив вакансію, дифундує на його поверхню (рис.24).

Рис. 24. Ілюстрація дефекта Шоткі

Дефект Френкеля — вакансія і атом у міжвузловинні – переважає в кристалах типу арґентум галоїдів. Вакансія і міжвузольний атоми переміщаються усередині граток за рахунок теплової енергії. Дефекти Френкеля легко утворюються також у кристалах із структурою алмазу. Ці дефекти не впливають на щільність кристала. Загалом у кристалі можуть бути і дефекти Френкеля, і дефекти Шоткі, причому переважають ті, для утворення яких потрібна менша енергія (рис.25).

Рис. 25. Ілюстрація дефекта Френкеля

1.7.2. Лінійні дефекти (одновимірні)

У реальних кристалах деякі атомні площини можуть обриватися. Краї таких обірваних (зайвих) площин утворюють краєві дислокації. Існують також гвинтові дислокації, пов'язані із закручуванням атомних площин у вигляді гвинтових сходів, а також складніші типи дислокацій.

Двовимірні дефекти – це межі між ділянками кристала, поверненими на різні (малі) кути один до одного; межі двійників, дефекти упаковки (одноатомні двійникові шари), межі електричних і магнітних, антифазні межі, межі включень іншої фази (наприклад, мартенситною), межі зерен (кристалітів) у агрегатах кристалів.

1.7.3. Об'ємні дефекти (тривимірні)

До них належать скупчення вакансій, що створюють пори і канали; частинки, що осідають на різних дефектах (що декорують), наприклад, бульбашки газів; скупчення домішок у вигляді секторів (пісочного годинника) і зон зростання.

У кристалах дефекти викликають пружні спотворення структури, що обумовлюють, у свою чергу, появу внутрішньої механічної напруги. Наприклад, точкові дефекти, взаємодіючи із дислокаціями, зміцнюють кристали, які впливають на спектри поглинання, спектри люмінесценції, розсіяння світла в кристалі і так далі, змінюють електропровідність, теплопровідність, сегнетоелектричні та магнітні властивості і тому подібне. Рухливість дислокацій визначає пластичність кристалів, скупчення дислокацій викликає поява внутрішньої напруги і руйнування кристалів. Дислокації є місцями скупчення домішок. Дислокації перешкоджають процесам намагнічення і електричної поляризації завдяки взаємодії з межами доменів. Об'ємні дефекти знижують пластичність, впливають на електричні, оптичні і магнітні властивості кристала так само, як і дислокації.