4.2. Точечные дефекты

Основные типы точечных дефектов в кристаллической решётке:

• А – атом примеси замещения

• B – вакансия

• С – атом в междоузлии

• D – атом примеси внедрения

• E – дивакансия

Вакансия – отсутствие атома или иона в узле кристаллической решётки.

Внедрённые или междоузельные атомы или ионы – располагаются на незаконном месте между узлами. Внедрёнными могут быть как собственные, так и примесные атомы или ионы, отличающиеся от основных атомов по размеру или валентности.

Примеси замещения заменяют частицу основного вещества в узлах решётки. Они внедряются в решётку тем легче, чем ближе атомные или ионные радиусы примесного и основного вещества.

Примеси внедрения занимают междоузлия, и при том тем легче, чем больше объём пространства между атомами.

Атомы примеси присутствуют в кристалле всегда. Проблема синтеза кристаллов с заданными свойствами зависит от создания таких условий выращивания кристаллов, при которых не возможно загрязнение растущего кристалла примесями из окружающей среды. В то же время, вводя примеси, можно по желанию изменять свойство кристаллов.

Вакансии и внедрённые атомы могут возникать:

1. При росте кристалла

2. В ходе пластической деформации

3. При термической обработке

4. При диффузии

5. В результате радиационного воздействия

Энергия образования одной вакансии порядка 1 эВ, а энергия внедрённого атома – несколько эВ.

Вакансии могут объединяться в дивакансии, тривакансии, вакансионные тетраэдры. Скопления многих вакансий образуют поры.

Междоузельные атомы могут объединяться в гантель, в линейную конфигурацию краудион, собираться в пластины. Эти дефекты менее устойчивые, чем одиночные, так как для них необходимо значительно большая энергия образования. Эта энергия тратится не только на разрыв связи, но и на искажение решётки вокруг дефекта, вызванная смещением атомов из равновесных положений.

Точечные дефекты могут двигаться через кристалл, взаимодействовать друг с другом и с другими дефектами. Встречаясь друг с другом, вакансия и междоузельный атом могут аннигилировать.

4.2.1. Равновесная концентрация дефектов

Концентрация точечных дефектов равна 0 при температуре 0°К, и быстро растёт с повышением температуры. При этом растёт внутренняя энергия кристалла, но одновременно растёт и его энтропия из-за беспорядка в расположении частиц.

Nβ: для каждой температуры может быть такая концентрация точечных дефектов, при которой затрата энергии на образование точечных дефектов компенсируется приростом энтропии, т.е. сохраняется условие минимума внутренней энергии и кристалл остаётся в состоянии ТДР. Эта равновесная концентрация точечных дефектов зависит от температуры:

- равновесная концентрация точечных дефектов, где n – число дефектов в единице объёма кристалла, N – общее число атомов в единице объёма, Е_акт – энергия активации дефекта, равная работе его образования, k – постоянная Больмана, Т – температура.

Пример: для кристаллов меди при Т порядка 10³ °К равновесная концентрация (относительная доля вакансий) порядка 10^-5. Это означает, что на каждые 10⁵ узлов решётки приходится по одной вакансии.

Таким образом, даже в кристаллах, находящихся в состоянии ТДР, всегда есть некоторое количество точечных дефектов. В реальных условиях концентрация точечных дефектов всегда много больше равновесной.