I. Классификация дефектов кристаллической решетки

Дефекты (нарушения пространственной периодичности кристаллической решетки) делятся на равновесные и неравновесные.

Регулярное строго пе­риодическое строение кристалла яв­ляется лишь идеализированной схемой. На самом деле даже в условиях иде­ального термодинамического равновесия в кристаллах обязаны существовать различного рода отклонения от этой схемы, называемые дефектами кристал­лической решетки. Эти отклонения от идеальной пространственной периодичности решетки никоим образом не могут трактоваться как дефекты кристалла. Они являются столь же равноправны­ми элементарными возбуждениями основного состояния кристалла, как, на­пример, тепловые колебания – фононы. Дефекты кристаллической решетки служат элементарными воз­буждениями атомной подсистемы кристалла, что неизбежно при температурах выше абсолютного нуля.

В реальных кристаллах, кроме равновесных дефектов решетки, сущест­вуют неравновесные дефекты, обусловленные неидеальными условиями про­исхождении и жизни кристалла. При помощи одного только теплового дви­жении эти дефекты не могут полностью покинуть кристалл даже за весьма длительное время и оказываются как бы «замороженными». Часто не­равновесные дефекты решетки стабилизируются электрическими, магнит­ными или упругими полями, возникающими при росте кристалла, фазовых превращениях или внешних воздействиях. Плотность неравновесных дефек­тов решетки удается существенно снизить путем совершенствования методов получения и обработки кристаллов.

Многие физические свойства кристаллов, как полезные в практическом отношении, так и, безусловно, вредные, обусловлены наличием в решетке равновесных и неравновес­ных дефектов. Кристалл откликается на внешние воздействия изменением своей реальной структуры – рождением, перестройкой, движе­нием и аннигиляцией дефектов решетки.

Пластическая деформация кристал­лов, например, полностью сводится к движению точечных и линейных дефектов. Тепловое расширение кристаллов тоже в значительной степени связано с повышением концентрации дефектов при повышении температуры.

Электри­ческий ток в ионных кристаллах обусловлен в основном движением в электрическом поле заряжен­ных точечных дефектов решетки. Все важнейшие свойства полупроводников, применяемые в практических устройствах, также обусловлены содержанием в решетке полупроводника электрически активных дефектов.

Благодари малой под­вижности и большому времени жизни дефекты решетки допускают наглядное геометрическое описание. Исключением являются лишь квантовые кристаллы, например кристаллы гелия.

Будем называть "узлами решетки" те положения, ко­торые атомы должны занимать в кристалле с идеальной атомной структурой. Строго говоря, в реальном кристалле ни один из атомов не располагается в узле решетки. Описание атомной структуры реальных кристаллов суще­ственно облегчается, однако, тем обстоятельством, что она не очень сильно отличается от идеальной и расположение атомов может быть описано по от­ношению к сетке узлов решетки. Поэтому классификацию дефектов решетки удобно проводить по чисто геометрическому признаку – по числу измерений, в которых качественные нарушения идеального строения кристалла (отсут­ствие или неправильное расположение соседних атомов) простираются на макроскопические расстояния.

Нульмерные (точечные) дефекты – вакантные узлы решетки, атомы в междоузлиях, примесные атомы в раз­личных положениях, адсорбированные атомы.

Одномерные (линейные) дефекты – цепочки точечных дефектов, а также дислокации – специфические дефекты, нарушающие правильное чередова­ние атомных плоскостей.

Двухмерные (поверхностные) дефекты – поверхность кристалла, де­фекты упаковки, т.е. неправильно уложенные слои атомов, границы блоков, зерен, двойников, доменов и т. д.

Трехмерные (объемные) дефекты – поры, включения, выделения другой кристаллической фазы и другие макроскопические нарушения.

Сходные с дефектами решетки локальные искажения атомной структуры кристалла иногда вызываются элементарными возбуждениями электронного типа, сильно взаимодействующими с решеткой.

Напр., в полупроводниках электро­ны и дырки искажают (поляризуют) вокруг себя решетку, образуя, по сути, точечные дефекты – поляроны.

В ионных кристаллах локальное возбуждение электронного состояния может передаваться от иона к иону и таким образом мигрировать через кристалл в виде аналога точечного дефекта, называемого экситоном. Теория предсказывает также существование так называемых флуктуонов – локальных колебаний плотности, электрической поляри­зации или намагниченности по объему кристалла, существующими в некоторых условиях в кристаллах.

С другой сто­роны, дефекты решетки искажают электронную структуру кри­сталла: смещаются электронные уровни, т.е. может изменяться ширина запрещенной зоны в кристалле, возникают новые разрешенные уровни энергии электронов. Накопление дефектов решетки может приводить к их объединению с выпадением новой фазы внутри кристалла (конденсация вакансий, экситонов и других типов дефектов).