Microsoft Word doc

5.2. 
Дефекты
 
кристаллического
 
строения
 
В
реальных
кристаллах
всегда
имеются
дефекты
. 
Дефекты
кристаллического
строения
подразделяют
по
геометрическим
признакам
на
точечные
, 
линейные
, 
поверхностные
и
объемные
. 
Размеры
точечного
дефекта
близки
к
межатомному
расстоянию
. 
У
линейных
дефектов
длина
на
несколько
порядков
больше
ши
-
рины
; 
у
поверхностных
дефектов
мала
толщина
, 
а
ширина
и
длина
больше
ее
на
несколько
порядков
. 
Объемные
дефекты
имеют
значительные
размеры
во
всех
трех
направлениях
. 
К
самым
простым
точечным
 
дефектам
относят
вакансии
 
и
межузельные
 
атомы
(
рис
. 5.6). 
Вакансия
представляет
собой
пустой
узел
кристаллической
решетки
; 
межузельным
атомом
называют
атом
, 
перемещенный
из
узла
в
позицию
между
узла
-
ми
. 
Вакансии
и
межузельные
атомы
появляются
в
кристаллах
при
любой
температуре
выше
абсолютного
нуля
из
-
за
тепловых
колебаний
атомов
. 
Рис
. 5.6. 
Точечные
дефекты
в
кристаллической
решетке
: 
а
 – 
вакансия
; 
б
 – 
межузельный
атом
Пересыщение
точечными
дефектами
возникает
при
резком
охлаждении
после
высокотемпературного
нагрева
, 
при
пласти
-
ческом
деформировании
и
при
облучении
нейтронами
. 
В
послед
-

---

90 
нем
случае
концентрация
вакансий
и
межузельных
атомов
одина
-
кова
: 
выбитые
из
узлов
решетки
атомы
становятся
межузельны
-
ми
, 
а
освободившиеся
узлы
становятся
вакансиями
. 
С
течением
времени
избыток
вакансий
сверх
равновесной
концентрации
ис
-
чезает
на
свободных
поверхностях
кристалла
, 
порах
, 
границах
зе
-
рен
и
других
дефектах
решетки
. 
Места
, 
где
исчезают
вакансии
, 
называют
стоками
 
вакансий
. 
Убыль
вакансий
объясняется
их
подвижностью
и
непрерывным
перемещением
в
решетке
. 
Сосед
-
ний
с
вакансией
атом
может
занять
ее
место
и
оставить
свобод
-
ным
свой
узел
, 
в
который
затем
переходит
другой
атом
. 
Чем
выше
температура
, 
тем
больше
концентрация
вакан
-
сий
и
тем
чаще
они
переходят
от
узла
к
узлу
. 
Вакансии
являют
-
ся
самой
важной
разновидностью
точечных
дефектов
; 
они
уско
-
ряют
все
процессы
, 
связанные
с
перемещениями
атомов
: 
диффу
-
зию
, 
спекание
порошков
и
т
.
д
. 
Точечные
дефекты
вызывают
местное
искажение
кристал
-
лической
решетки
, 
распространяющееся
обычно
на
несколько
соседних
атомных
слоев
. 
Искажение
вокруг
межузельных
ато
-
мов
в
плотноупакованных
решетках
значительно
больше
, 
чем
вокруг
вакансий
. 
Линейные
 
дефекты
 
имеют
малые
размеры
в
двух
измерени
-
ях
и
большую
протяженность
в
третьем
измерении
. 
К
ним
относят
-
ся
краевые
и
винтовые
дислокации
. 
Краевая
 
дислокация
 (
рис
. 5.7, 
а
–
в
) 
представляет
собой
ло
-
кализованное
искажение
кристаллической
решетки
, 
вызванное
наличием
в
ней
«
лишней
» 
атомной
полуплоскости
или
экстра
-
плоскости
. 
Наиболее
простой
и
наглядный
способ
образования
дислокации
в
кристалле
– 
сдвиг
на
одно
межатомное
расстояние
одной
части
кристалла
относительно
другой
. 
Плоскость
, 
в
которой
произошел
сдвиг
, 
называют
плоско
-
стью
 
скольжения
,
 
а
линия
пересечения
экстраплоскости
с
плос
-
костью
скольжения
является
линией
дислокации
, 
вдоль
которой
и
локализуется
искажение
кристаллической
решетки
. 

---

91 
Рис
. 5.7. 
Краевая
(
а
– 
в
) 
и
винтовая
(
г
, 
д
) 
дислокация
: 
а
– 
сдвиг
, 
создавший
краевую
дислокацию
: 
τ
– 
сдвиговое
напряжение
, 
стрелками
показано
направление
сдвига
; 
б
 – 
пространственная
схема
краевой
дислокации
; 
в
 – 
схема
расположения
атомов
у
краевой
дислокации
: 
b – 
вектор
Бюргерса
; 
г
 –
пространственная
модель
образования
винтовой
дислокации
EF 
в
результате
неполного
сдвига
по
плоскости
Q
;
 
д
 –
расположение
атомов
в
области
винтовой
дислокации
Размеры
дефекта
перпендикулярно
линии
дислокации
не
-
велики
и
не
превышают
пяти
межатомных
расстояний
. 
Дисло
-
кационные
линии
не
обрываются
внутри
кристалла
, 
они
выхо
-
дят
на
его
поверхность
, 
заканчиваются
на
других
дислокациях
или
образуют
замкнутые
дислокационные
петли
. 
Одним
из
параметров
, 
характеризующих
поведение
дис
-
локации
, 
является
вектор
 
Бюргерса
,
b
 
показывающий
величину
и
направление
сдвига
в
процессе
скольжения
. 
Он
характеризует

---

92 
степень
искажения
кристаллической
решетки
вокруг
дислока
-
ции
(
упругая
энергия
искажения
пропорциональна
квадрату
вектора
Бюргерса
). 
Кроме
краевых
дислокаций
, 
различают
еще
винтовые
 
дис
-
локации
. 
На
рис
. 5.7, 
г
показана
пространственная
модель
вин
-
товой
дислокации
. 
Это
прямая
линия
EF (
рис
. 5.7, 
д
),
 
вокруг
ко
-
торой
атомные
плоскости
изогнуты
по
винтовой
поверхности
. 
Винтовая
дислокация
образована
неполным
сдвигом
кристалла
по
плоскости
Q. 
В
отличие
от
краевой
дислокации
винтовая
дислокация
параллельна
вектору
сдвига
. 
Вокруг
дислокаций
на
протяжении
нескольких
межатом
-
ных
расстояний
возникают
искажения
решетки
. 
Энергия
иска
-
жения
является
одной
из
важнейших
характеристик
дислокации
любого
типа
. 
Критерием
этого
искажения
служит
вектор
Бюр
-
герса
. 
В
краевой
дислокации
вектор
Бюргерса
перпендикулярен
линии
дислокации
, 
а
в
винтовой
– 
параллелен
ей
. 
Дислокации
образуются
при
кристаллизации
металлов
, 
а
также
в
процессах
пластической
деформации
и
фазовых
пре
-
вращений
. 
Дислокации
присутствуют
в
кристаллах
в
огромном
количестве
(10
6
…10
12
см
–2
) 
и
обладают
легкой
подвижностью
и
способностью
к
размножению
. 
Поверхностные
 
дефекты
 
малы
только
в
одном
измере
-
нии
. 
Они
представляют
собой
поверхности
раздела
между
от
-
дельными
зернами
или
субзернами
в
поликристаллическом
материале
. 
Субзерна
размерами
0,1…1,0 
мкм
разориентиро
-
ваны
относительно
друг
друга
, 
границы
между
ними
имеют
дислокационный
характер
и
представляют
собой
дислокаци
-
онные
стенки
. 
Объемные
 
дефекты
 –
это
поры
, 
трещины
, 
усадочные
де
-
фекты
и
т
.
п
. 
Они
образуются
при
кристаллизации
, 
фазовых
пре
-
вращениях
, 
деформации
и
других
процессах
. 

---

93 
5.3. 
Элементы
 
зонной
 
теории
 
При
связывании
атомов
и
формировании
твердого
тела
энер
-
гетические
уровни
отдельных
атомов
расширяются
и
образуют
зоны
с
щелями
между
ними
. 
Если
изолированные
атомы
имеют
совпадающие
схемы
энергетических
уровней
, 
то
при
сжатии
атома
в
кристаллической
решетке
энергетические
уровни
деформируются
,
смещаются
и
расширяются
в
зо
-
ны
, 
образуя
зонный
 
энергетичес
-
кий
 
спектр
(
рис
. 5.8). 
При
этом
уровни
внешних
валентных
элек
-
тронов
расширяются
, 
а
уровни
внутренних
электронов
расщеп
-
ляются
слабо
. 
Электроны
могут
иметь
значения
энергии
, 
только
лежа
-
щие
внутри
какой
-
либо
зоны
(
на
рис
. 5.8 
заштрихованы
). 
Таким
образом
, 
из
энергетического
спек
-
тра
электронов
можно
выделить
три
зоны
: 
валентную
, 
образован
- 
Рис
. 5.8. 
Уровни
энергии
свободного
атома
ную
из
энергетических
уровней
внутренних
электронов
свобод
-
ных
атомов
и
полностью
заполненную
электронами
, 
в
нее
попа
-
дают
электроны
, 
связывающие
кристалл
в
единое
целое
; 
зону
проводимости
(
свободную
зону
), 
частично
заполненную
элек
-
тронами
, 
образованную
из
энергетических
уровней
«
коллекти
-
визированных
электронов
; 
запрещенную
зону
с
шириной
энерге
-
тической
щели
∆
Е
. 
Зона
проводимости
расположена
по
энерги
-
ям
выше
валентной
зоны
и
отделена
от
нее
запрещенной
зоной
. 
В
соответствии
с
взаимным
расположением
зон
все
твердые
тела
подразделяются
на
диэлектрики
, 
полупроводники
и
проводники
. 
У
диэлектриков
 
валентная
зона
заполнена
электронами
, 
которые
не
могут
перемещаться
, 
так
как
их
положения
зафикси
-
рованы
в
химических
связях
. 
Зона
проводимости
расположена

---

94 
по
энергиям
намного
выше
валентной
зоны
, 
как
показано
на
рис
. 5.9, 
а
, 
так
что
она
недоступна
тепловым
флуктуациям
и
остается
практически
пустой
. 
Другими
словами
, 
при
комнат
-
ной
температуре
Т
 = 300 
К
тепловой
энергии
недостаточно
для
переброски
сколько
-
нибудь
значительной
части
электронов
из
ва
-
лентной
зоны
в
зону
проводимости
, 
так
что
их
количество
в
по
-
следней
пренебрежимо
мало
. 
Еще
один
вариант
изложения
этого
факта
таков
: 
ширина
энергетической
щели
∆
Е
 
много
больше
вели
-
чины
тепловой
энергии
k
Т
,
 
где
k – 
постоянная
Больцмана
. 
Рис
. 5.9. 
Энергетические
зоны
в
диэлектрике
(
а
), 
собственном
полупроводнике
(
б
) 
и
проводнике
(
в
). 
Наличие
электронов
в
зоне
обозначено
косой
штриховкой
У
полупроводников
щель
между
валентной
зоной
и
зоной
проводимости
много
меньше
, 
как
показано
на
рис
. 5.9, 
б
, 
так
что
∆
Е
 
∼
1
эВ
 
ближе
к
тепловой
энергии
kT 
∼
10
−
4
эВ
. 
При
комнат
-
ной
температуре
тепловое
возбуждение
может
забросить