Классификация и характеристика дефектов кристаллической структуры

Кристаллов, которые обладали бы идеальной симметрией, идеально точным расположением атомов в узлах кристаллической решетки, полным отсутствием чужеродных внедрений, в природе не существует. Более того, кристаллы всегда имеют какие-либо дефекты, наличие которых во многом определяет их механические, оптические, электрические и магнитные свойства.

Дефекты в кристаллах классифицируют по их размерам – точечные (или атомные, нульмерные), линейные (одномерные) и поверхностные (двумерные).

Точечные дефекты (рис. 1.9) – это атомы примесей, замещающие атомы основного вещества в узлах решетки (а) или располагающиеся в междуузлиях (б), или атомы основного вещества, отсутствующие или смещенные из нормальных узлов (в). Узел решетки, в котором отсутствует атом, называется вакансией или дефектом по Шоттки. Совокупность вакансии и междуузлия называется дефектом по Френкелю [22,24].

Рис. 1.9. Точечные дефекты

Вакансии и междуузельные атомы могут перемещаться в кристалле. Появление вакансии в новом месте происходит в результате переноса соседнего атома в свободный узел. Движение междуузельных атомов носит более сложный характер, в некоторых случаях их перемещение осуществляется целиком по междуузлиям.

Линейными дефектами называют дислокации, т.е. нарушения периодичности структуры, представляющие собой различного рода смещения большого числа атомов из нормальных узлов в некоторые, промежуточные между нормальными узлами положения.

Пусть, например, в кристаллической решетке появилась лишняя полуплоскость атомов (рис. 1.10). Край 1–1` этой полуплоскости образует линейный дефект – так называемую краевую дислокацию (она обозначается знаком ┴). Дислокация простирается в длину на тысячи параметров решетки, может быть прямой или выгибаться в ту или иную сторону, в пределе она может закрутиться в спираль (винтовая дислокация). Вокруг дислокации возникает зона упругого искажения решетки. Расстояние от центра дефекта до места решетки без искажений определяет ширину дислокации (1–2 на рис. 1.10); обычно она невелика (всего несколько постоянных решетки).

Рис. 1.10. Дислокации

Под воздействием механических напряжений краевая дислокация 1‑1` будет перемещаться вдоль плоскости G, пока не достигнет границы зерна или блока. Дислокации могут взаимодействовать как друг с другом, так и с другими дефектами. Если противоположные по знаку дислокации движутся в одной плоскости, то при встрече они взаимно уничтожаются (в кристалле образуется полная плоскость). Точечные дефекты притягиваются к краевым дислокациям. Поэтому они могут поглощаться ими, то есть аннигилировать на дислокациях. Рассмотрим механизм поглощения. Когда вакансия подходит к ступеньке, последняя смещается на одно межатомное расстояние, а сама вакансия исчезает. При поглощении междуузельных атомов ступенька смещается в направлении, противоположном смещению при захвате вакансии. Таким образом, ступеньки на дислокации являются местом стока для точечных дефектов. В кристалле дислокации располагаются в виде сеток. Однако при сложном взаимодействии точечных дефектов и дислокации могут возникать как отдельные дислокации, так и дислокационные сплетения (клубки).

Винтовые дислокации могут быть получены при частичном сдвиге. На поверхности при этом образуется ступенька, проходящая не по всей поверхности кристалла. Такой сдвиг нарушает параллельность атомных слоев, кристалл как бы закручивается. Винтовую дислокацию называют правой, если она образована вращением по часовой стрелке, и левой – в противном случае.

Движение винтовой дислокации не связано с какой-либо плоскостью скольжения: дислокация может перемещаться в любой плоскости. Точечные дефекты не группируются вокруг винтовых дислокаций.

Характеристикой дислокационной структуры является плотность дислокаций – число дислокаций, пересекающих единицу площади. В монокристаллах она составляет величину 10³...10⁸ см², в отожженных поликристаллических образцах 10⁷...10⁸ см ², после холодной деформации 10¹¹...10¹² см².

К поверхностным дефектам относят границы зерен в монокристаллах, границы двойников, мозаики, поверхности раздела между твердыми фазами и свободные (внешние) поверхности кристаллов.

Основное отличие точечных дефектов от линейных и поверхностных заключается в том, что точечные всегда существуют в кристалле при конечной температуре. Линейные же и поверхностные дефекты возникают при росте, механической деформации или при термической обработке кристаллов. Это означает, что можно получить кристалл, не имеющий линейных и поверхностных дефектов (за исключением внешних поверхностей), но он всегда будет содержать точечные дефекты, При этом их концентрация оказывается экспоненциальной функцией температуры.

Наличие дефектов оказывает существенное влияние на свойства кристаллов. Например, точечные дефекты наиболее сильно изменяют электрофизические и физико-химические свойства, а линейные и поверхностные дефекты – механические. Механические свойства материалов зависят от количества дислокаций и от их способности к перемещению.