Дефекты в кристаллах

ДЕФЕКТЫ в кристаллах, устойчивые нарушения правильного расположения атомов, ионов или молекул в узлах кристаллической решётки. Дефекты образуются в процессе роста кристалла из расплава или раствора, при введении примесей, под влиянием внешних воздействий: тепловых, механических и электрических, при облучении нейтронами, электронами, рентгеновскими и УФ-лучами (смотри Радиационные дефекты). Дефекты могут быть либо атомарного масштаба, либо макроскопических размеров.

Классификация дефектов основана на числе пространственных измерений, в которых размеры дефектного участка (ядра дефектов) значительно превышают межатомное расстояние а. Если все размеры дефектов сравнимы с а, то дефекты называются нульмерными или точечными. Это наиболее распространённый тип дефектов. К точечным дефектам относятся вакансии, примесные атомы (чужеродные атомы или ионы, замещающие основные частицы, образующие кристалл, либо внедряющиеся между ними) и межузельные атомы (собственные атомы или ионы, сместившиеся из своих нормальных положений). Точечными дефектами также являются центры окраски (комбинации вакансий с электронами проводимости или дырками). В ионных кристаллах точечные дефекты возникают парами. Две вакансии противоположного знака образуют так называемый дефект Шоттки. Пара, состоящая из межузельного иона и оставленной им вакансии, называется дефектоном Френкеля. В любом кристалле при температуре, отличной от О К, существует некоторая термодинамически равновесная концентрация точечных дефектов, которую можно изменять, например, допированием, то есть введением в решётку иона с зарядом, отличным от заряда замещаемого иона. Тогда, согласно принципу электронейтральности, в решётке должно образоваться дополнительное число вакансий или межузельных ионов для компенсации избыточного локального заряда примеси. В зависимости от вида и концентрации точечные дефекты могут существенно влиять на электрические, магнитные и оптические свойства кристаллов, а изменение их концентрации позволяет управлять этими свойствами и создавать материалы с заданными свойствами для микроэлектроники, лазерной техники и др.

Одномерные, или линейные, дефекты - это нарушения в структуре кристалла, малые в двух измерениях, но сравнительно протяжённые в третьем. Линейными дефектами являются цепочки точечных дефектов и дислокации. Как линейные дефекты также рассматриваются дисклинации - протяжённые дефекты, возникающие в результате нарушения симметрии векторного поля в средах, обладающих упорядочением некоторого аксиального вектора, например, вектора директора в жидких кристаллах, вектора антиферромагнетизма в антиферромагнетиках.

Двумерными, или поверхностными, дефектами являются дефекты упаковки, границы двойников (смотри Двойникование), границы магнитных или сегнетоэлектрических доменов (смотри Домены), границы зёрен в поликристаллических материалах, межфазные границы в сплавах, сама поверхность кристалла.

Трёхмерными, или объёмными, дефектами являются поры, трещины, включения других фаз, тетраэдры из дефектов упаковки. Образуются, как правило, в кристаллах, полученных в неравновесных условиях. Объёмные дефекты обычно ухудшают свойства кристаллов, однако в ряде случаев такие дефекты специально создают в поликристаллических материалах для предотвращения их рекристаллизации.

Дефекты влияют практически на все свойства кристаллов. В значительной степени ими определяются так называемые структурно-чувствительные свойства: диффузионные явления (движение точечных дефектов), прочность и пластичность (зарождение, взаимодействие и аннигиляция дислокаций, дисклинаций и точечных дефектов), разрушение (зарождение и рост трещин при объединении дислокаций), рекристаллизация, двойникование, фазовые превращения (движение точечных дефектов, межзёренных и межфазных границ), радиационные явления (изменения свойств кристаллов под действием высокоэнергетических частиц, создающих точечные и линейные дефекты), электрические, оптические и другие свойства, обусловленные взаимодействием носителей заряда с дефектами.

Атомная структура ядер дислокаций, точечных и поверхностных дефектов наблюдается с помощью автоионного микроскопа (смотри Ионный проектор), методами электронной микроскопии прямого разрешения и др. Дифракционные методы (электронография, рентгеновский структурный анализ, структурная нейтронография, туннельная и силовая микроскопия) используются для определения атомных конфигураций дефектов, их объёмной плотности и характера распределения в объёме кристалла; для установления упругих полей дефектов и их кристаллогеометрических характеристик.

Лит.: Ван Бюрен. Дефекты в кристаллах. М., 1962; Келли А., Гровс Г. Кристаллография и дефекты в кристаллах. М., 1974; Современная кристаллография: В 4 т. / Под редакцией Б. К. Вайнштейна. М., 1979-1981.