4. 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.
5. Образование точечных дефектов
Кроме точечных дефектов, возникших в результате тепловых флуктуации, могут появиться точечные дефекты иного происхождения. Один из методов получения избыточного (для данной температуры) количества точечных дефектов состоит в резком охлаждении от более высокой температуры (закалке).
Другой способ создания избыточных дефектов заключается в сильной деформации кристаллической решетки, например ковкой или прокатыванием. Хотя решетка по-прежнему сохраняет в основном свою кристаллическую природу, при такой обработке возникают многочисленные дефекты структуры.
Третий метод увеличения количества точечных дефектов состоит в бомбардировке твердого тела атомами или частицами с высокой энергией, например путем облучения в циклотроне или нейтронным облучением в ядерном реакторе. Быстрые частицы соударяются с атомами решетки и смещают их, образуя при этом дефекты по Френкелю. При этом количество дефектов зависит не от температуры (за исключением процесса отжига, в ходе которого происходит «залечивание» дефектов), а только от природы кристалла и от бомбардирующих частиц. С помощью такой бомбардировки могут достигаться заметные концентрации смещенных атомов, что приводит к значительному изменению свойств материалов. Столь большое количество дефектов может создаться в определенных узлах ядерных реакторов.