Вакансии и атомы внедрения

И вакансии, и атомы внедрения — это дефекты атомных размеров, и их нельзя увидеть в обычный микроскоп.

Рис.2. Стрелкой показана вакансия и плоскости (202) на поверхности кристалла платины.

Сначала рассмотрим вакансии. Они имеются во всех кристаллах, как бы тщательно последние ни выращивались. Под действием тепловых флуктуации в реальном кристалле постоянно зарождаются и исчезают вакансии. Формально схему образования такого дефекта для двумерного кристалла можно проследить по рис.3.

Рис.3 Геометрическая схема образования вакансии в двумерной кубической структуре.

Внутренний атом может сорваться со своего узлового положения в решетке и перейти на поверхность. Для этого перехода необходима энергия. Вычислить точное значение этой энергии очень трудно, а точное экспериментальное измерение возможно лишь при соблюдении особенной тщательности в проведении опытов. Поэтому количество энергии, потребляемой в этом процессе, известно только в немногих случаях. Для большинства кристаллов эта энергия имеет порядок 1 эв на вакансию.

Детальный механизм образования вакансий в кристаллической решетке не таков, как это показано на рис. 3. Атом, находящийся внутри кристалла, не может перескочить на поверхность так, как это предполагалось выше. Такой переход возможен только в том случае, если атом обладает огромной кинетической энергией, необходимой для прохождения через всю решетку. Тем не менее, если атомы в узлах кристаллической решетки располагают необходимой энергией в 1 эв, вакансии будут образовываться. (Это предположение соответствует духу всех термодинамических расчетов, в которых исследуется только характер равновесия, а не способы, какими система приходит к равновесию).

Атомы внедрения — это избыточные атомы, проникшие в решетку, но не занимающие ее узлов. Эти дефекты могут быть двух видов: 1) атомы внедрения такого же типа, как в узлах регулярной решетки; 2) атомы внедрения другого типа (примеси).

Дефекты этих двух видов могут существовать в любой решетке и даже сосуществовать в одной и той же решетке.

Атом переходит с поверхности в объем кристалла и занимает место в одном из междоузлий решетки. При образовании внедрения энергия кристалла возрастает, так как атом проникает в область, где очень велики силы отталкивания между внедренным атомом и его соседями.

Внедрение в решетке может образоваться за счет ухода атома из узла решетки непосредственно в междоузлие, при этом в оставленном узле возникает вакансия. Эти дефекты называются дефектами по Френкелю. Энергия их образования примерно равна сумме энергий образования вакансии и внедрения. Внедренная примесь возникает при проникновении инородного атома в междоузлие кристаллической решетки. Энергия образования такого внедрения частично связана с упругой деформацией решетки, что, кстати, имеет место и при внедрении собственных атомов.