Три уровня структурной организации частиц в кристаллах

Помимо рассмотренных выше различных вариантов классификации твердых тел, для кристаллических веществ существует своя иерархия.

а) идеальная структура (структура отдельных кристаллов);

б) реальная структура (дефектные структуры реальных кристаллов, включая структуру поверхностных слоев);

в) микроструктура (текстура поликристаллических твердых тел)

Идеальным называется кристалл, каждый атом которого имеет идентичное окружение соседних атомов, то есть определенное их число и на строго фиксированном расстоянии. При смещении идеального кристалла на величину трансляционного вектора он совмещается сам с собой. В результате такого единичного сдвига полностью восстанавливается исходная кристаллографическая конфигурация атомов и, следовательно, сохраняется прежняя кристаллическая структура.

Кристалл, часть атомов которого не имеет идентичного окружения, является несовершенным, реальным. Области нарушения правильного, идеального строения кристаллической решетки называют дефектами. Иными словами, под дефектами кристаллического строения можно понимать нарушения в периодичности расположения атомов в пространстве, в результате которого не все атомы имеют одинаковое окружение. Отклонения атомов от равновесных положений вследствие тепловых колебаний или упругих смещений к дефектам кристаллической решетки не относятся.

Строго говоря, полностью упорядоченное кристаллическое состояние реально не может быть осуществлено, приближение к нему (идеальный кристалл) имеет место при стремлении температуры к 0 К. Реальные тела в кристаллическом состоянии всегда содержат некоторое количество дефектов, нарушающих как ближний, так и дальний порядок. Особенно много дефектов наблюдается в твердых растворах, в которых отдельные частицы и их группировки статистически занимают различные положения в пространстве. Некоторые свойства веществ на поверхности кристаллов и вблизи нее существенно отличаются от этих свойств внутри кристаллов, в частности, из-за нарушения симметрии.

Большинство тел в кристаллическом состоянии является поликристаллическими и представляет собой сростки большого числа мелких кристаллитов (зерен) – участков размером 10^-1–10^-3 мм, неправильной формы и различно ориентированных. Зерна отделены друг от друга межкристаллитными слоями, в которых нарушен порядок расположения частиц. В межкристаллитных слоях происходит также концентрирование примесей в процессе кристаллизации.

Из-за случайной ориентации зерен поликристаллическое тело в целом (объем, содержащий достаточно много зерен) может быть изотропным. Однако обычно в процессе кристаллизации и особенно пластической деформации возникает текстура – преимущественная ориентация кристаллических зерен в определенном направлении, приводящая к анизотропии свойств. Таким образом, под словом текстура обычно имеется в виду учёт размеров, формы кристаллитов и их взаимного расположения.

Существует классификация кристаллических структур, критерием которой служит характер межъядерных расстояний между частицами (геометрический фактор) структуры. При этом протяженность структурных группировок в отдельных направлениях можно характеризовать числом измерений трехмерного пространства k, в которых они ограничены. Число m = 3 – k указывает на число измерений пространства, в которых структурные группировки бесконечны и периодичны. Выделяют пять различных типов структур: координационные, островные, цепочечные, слоистые и каркасные.

В координационных структурах атомы не образуют каких-либо конечных или бесконечных группировок, а распределяются по всему кристаллическому пространству равномерно, то есть эти структуры изодесмичны. Координация атомов одинакова (NaCl) или приблизительно одинакова (шпинель) во всех направлениях. Таким структурам соответствует k = 0, m = 3.

Четыре остальных типа структур – гетеродесмические.

Островные структуры состоят из отдельных конечных группировок (часто молекул), внутри которых реализуется один тип связи, а между ними – другой. Эти группировки пространственно ограничены во всех трех измерениях (k = 3, m = 0). Например, в островной структуре кристаллического хлора, построенной из отдельных двухатомных молекул Cl₂, ковалентная связь между атомами хлора соседних молекул молекулярная.

Цепочечные структуры (k = 2, m = 1) могут иметь как нейтральные, так и валентно-насыщенные цепи. Примером первого типа является молекула селена, где между атомами Se, встроенными в цепи, реализуется ковалентная связь, а между атомами разных цепочек – связи, близкие к Ван-дер-Ваальсовым.

К слоистым структурам (k = 1, m = 2) можно отнести структуру графита, где ковалентные с примесью металлической связи реализованы внутри слоя, а Ван-дер-Ваальсовы – между слоями.

Каркасные структуры (k = 0, m = 3) представляют собой пространственные (трехмерные) ажурные конструкции из атомных группировок, в которых имеются сравнительно большие пустоты. Примером могут служить различные модификации кремнезема, где трехмерная постройка образована тетраэдрами SiO₄, объединенными посредством общих вершин.

Наряду со структурами, которые можно отнести вполне однозначно к одному из указанных типов, существуют и промежуточные структуры с не очень четко выраженными группировками, а также с группировками, разного типа – гибридные мотивы.