4.4 Объёмные дефекты кристаллической решетки.

К объёмным, или трехмерным дефектам кристаллической решетки относятся трещины и поры.

Наличие трещин резко снижает прочность как материалов, поэтому они являются крайне нежелательными дефектами. Это связано с тем, что острые края трещин являются концентраторами напряжений. Причем в металлических материалах при одинаковой геометрии трещин прочность как правило остается выше, чем в неметаллических. Природа этого различия состоит в том, что в металлических материалах в области концентрации напряжений происходит пластическая деформация материала, приводящая к затуплению трещин. В неметаллических непластичных материалах затупления острых краев трещин не происходит и трещина быстро развивается.

Присутствие в материале пор также снижает прочность металлических материалов, поскольку уменьшается истинное сечение деталей. В неметаллических материалах влияние пор на свойства материала неоднозначно.

Крупные поры снижают прочность материала, поскольку уменьшается сечение изделий. В то же время мелкие поры могут повышать прочность материалов. Это связано с тем, что при возникновении пор появляется свободная поверхность. У атомов, находящихся на свободной поверхности, количество соседей резко отлично от количества соседей атомов в глубинных слоях материала, следовательно, энергия атомов на поверхности материала повышена. Поверхностной энергии является причиной появления поверхностного натяжения. Таким образом, на атомы, находящиеся на поверхности пор, действуют сжимающие напряжения. Неметаллические материалы с ионной или ковалентной связью между атомами хорошо сопротивляются действию сжимающих и плохо противостоят действию растягивающих напряжений. При всех реальных схемах нагружения (например, изгиб) в материале возникают как растягивающие, так и сжимающие напряжения. При наличии пор сжимающие напряжения на их поверхности компенсируют внешние растягивающие напряжения. Поэтому присутствие мелких пор ведет к росту прочности неметаллических материалов.

Поскольку энергия атомов на поверхности объёмных дефектов повышена, то они являются источником вакансий. При нагреве трещины и поры как бы «испаряются», превращаясь в вакансии. При охлаждении вакансии вновь «конденсируются». При «конденсации» вакансионного «пара» система стремится к минимуму энергии, а следовательно, к минимуму поверхностной энергии. Таким образом, при нагреве и последующем охлаждении острые трещины превращаются в сферические поры, то есть за счет чередования нагрева с охлаждением можно превращать опасные трещины в менее опасные поры.

Уменьшение сечения материала при наличии пор и трещин, а также искажение кристаллической решетки вблизи их поверхности приводит к повышению удельного электросопротивления металлических материалов. В неметаллических материалах наличие объёмных дефектов снижает удельное электросопротивление вследствие повышения подвижности ионов по вакансиям в материалах с ионной связью и облегчения выхода электронов в материалах с ковалентной связью.

Один или несколько атомов в кристаллической решетке могут обладать повышенной энергией. В этом случае говорят об энергетических дефектах кристаллической решетки. К энергетическим дефектам решетки относятся: дырки дополнительно ионизированные ионы, дислоцированные электроны, пары электрондырка или экситоны (возбужденные атомы), фононыкванты колебаний кристаллической решетки.

При поглощении ионом энергии, достаточной для отрыва электрона и образования дырки, но недостаточной для переноса электрона на относительно большое расстояние от дырки, возникает пара электрон-дырка, или экситон. Экситоны электрически нейтральны, поэтому их движение не приводит к переносу заряда, однако перемещение экситонов ведет к переносу энергии. При взаимной аннигиляции дырки и электрона выделяется квант электромагнитной энергии, который, поглощаясь каким-либо ионом, вновь приводит к образованию экситона. Поскольку в состав экситона входит свободный электрон, то при появлении в кристаллической решетке экситонов прозрачность кристалла для электромагнитного излучения падает.

В процессе тепловых колебаний атомы связно смещаются относительно положений равновесия. По кристаллу движутся упругие волны теплового возбуждения. Подобно тому, как волны электромагнитного излучения трактуются с точки зрения квантовой физики как частицы фотоны, тепловые волны можно рассматривать как квазичастицы упругих колебанийфононы. Перемещение фононов приводит к переносу тепловой энергии и определяет теплопроводность материалов. В металлических материалах подвижность фононов существенно выше по сравнению с неметаллическими. Это связано с тем, что смещение положительно заряженного иона из положения равновесия вызывает локальное изменение электрического поля и смещение электронов. В свою очередь, смещение электронов приводит к смещению ионов. В итоге электронфононного взаимодействия подвижность фононов, а следовательно, и теплопроводность металлических материалов оказывается существенно выше, чем у неметаллических материалов. Любое изменение структуры металлических материалов, приводящее к затруднению распространения электронных волн (легирование, измельчение зерен, повышение плотности дислокаций), соответственно понижает теплопроводность металлических материалов.

Дефекты кристаллической решетки

Кристаллическое состояние вещества характеризуется жестко закономерным порядком размещением частиц в кристаллической решетке, который периодически повторяется и соответствует минимальному значению энергии системы, что согласуется с наличием ближнего и дальнего порядков. Кристаллическая структура с таким размещением частиц называется 

идеальным кристаллом. Однако реальные кристаллы обычно имеют несовершенное строение, что объясняется наличием дефектов кристаллической решетки.

Дефекты кристаллической решетки — это нарушение симметрии и идеальной периодичности в строении кристалла, а также отклонения строения от совершенной структуры.

Дефекты кристаллической решетки возникают в процессе роста кристалла вследствие неравновесности условий роста и наличия примесей, а также под влиянием механических и тепловых воздействий, электрических и магнитных полей или под действием ионизирующего излучения.

Дефекты в кристаллах классифицируются по различным признакам.

По происхождению дефекты кристаллической решетки делятся на микродефекты (нарушения в периодичности размещения частиц в кристаллической структуре) и макродефекты (трещины, укоренение молекул газа или маточного раствора).

По природе дефекты кристаллической структуры делятся на электронные и атомные.

1. Электронные дефекты. К ним относятся избыточные электроны проводимости в кристалле и незаполненные валентные связи или вакантные орбитали — так называемые положительные дырки. Для кристалла, который находится в состоянии равновесия, количества электронов проводимости и положительных дырок одинаковы. Именно электроны и дырки обусловливают электропроводность твердых веществ. При определенных условиях (например, при наличии в кристалле химических примесей, входящих в его структуру) количество электронов и дырок может не совпадать — такое состояние наблюдается в полупроводниках.
2. Атомные дефекты. В зависимости от размеров различают несколько разновидностей атомных дефектов: точечные, линейные (или дислокации), поверхностные и объемные.

Точечные дефекты связаны с отсутствием атома в узле кристаллической решетки или, наоборот, с появлением лишнего атома в узле или в междоузлие. Итак, точечные дефекты существуют в виде вакантных узлов (вакансий), в виде смещения частицы из узла кристаллической решетки в пространство между узлами (дефект укоренение) или в виде проникновения чужеродных атомов или ионов в кристаллическую решетку (дефект замещения — твердые растворы).

Виды точечных дефектов

В ионных кристаллах вакансии должны быть скомпенсированы таким образом, чтобы кристалл в целом был электронейтральным, поэтому точечные дефекты в кристалле возникают парами и бывают разноименно заряжены.

Вакансии в кристаллической решетке: а) в атомном кристалле; б) в ионном кристалле вакансия катиона; в) в ионном кристалле вакансия аниона

В реальных условиях формирования кристаллов происходит в разных условиях, в разных окружающих средах, что сказывается на характере и особенностях дефектов кристаллической решетки, которые возникают при росте кристалла.  Рассматривают два основных механизма образования точечных дефектов:

• механизм по Шоттки — возникновение системы вакансий, которая сохраняет стехиометрический состав ионного кристалла благодаря комбинации одинаковых количеств катионных и анионных вакансий.
• механизм по Френкелю — одновременное возникновение вакансии и укоренение постороннего катиона.

Механизмы образования точечных дефектов: а) по Шоттки; б) по Френкелю

Относительное содержание вакансий в кристаллах сравнительно небольше (~10

-12 % при н.у.), но оно может быстро увеличиваться при повышении температуры (до 10^-5 % при 600 К). Несмотря на это, дефекты по Шоттки и Френкелю существенно влияют на стехиометрию твердых веществ, вызывая существование соединений переменного состава и изменяя электропроводность, механическую прочность, оптические и другие физические свойства кристаллических веществ.

Точечные дефекты являются очень малыми во всех трех измерениях, их размеры по всем направлениям не превышают нескольких атомных диаметров — именно по этой причине их называют нульмерными.

Точечные дефекты повышают энергию кристалла, поскольку на образование дефекта была потрачена определенная энергия. Вокруг вакансии или лишнего атома в междоузлии решетка искажена, поэтому такой дефект в первом приближении можно рассматривать как центр сжатия или расширения кристалла.

Дефекты кристаллической решетки: а) вакансия, который является центром сжатия; б) укоренение — центр расширения

Важной особенностью точечных дефектов является их подвижность. Перемещение дефектов связано с преодолением потенциальных барьеров, высота которых определяется природой дефекта, структурой решетки и направлением движения дефекта. Перескоки вакансий приводят к перемещению атомов, то есть к самодиффузии примесных атомов замещения.

Линейные (одномерные) дефекты, или дислокации (смещения) возникают в местах обрыва плоскостей кристаллической решетки (краевые дислокации), при закручивании этих плоскостей (винтовые дислокации), а также при последовательном соединении точечных дефектов (цепочке дислокаций).  Дислокации могут перемещаться в теле кристалла, скапливаться на участках крупнейших напряжений, а также выходить на поверхность и нарушать поверхностный слой. Линейные дефекты имеют атомные размеры в двух измерениях и только в третьем их размер сопоставим с длиной кристалла.

Наличие дислокаций и их подвижность вызывают изменение пластичности кристаллов, обусловливают напряжения и могут приводить к полному разрушению структуры.

При краевой дислокации образуется одна «лишняя» атомная полуплоскость, которая называется экстраплоскостью, а ее нижний край — линией дислокации .

Винтовые дислокации возникают при частичном смещении атомных слоев по некоторой плоскости Q, в результате чего нарушается их параллельность. Кристалл как бы закручивается винтом в виде полого геликоида вокруг линии ЕF, которая является линией дислокации, своеобразной границы, которая отделяет ту часть скольжения, где сдвиг уже завершился, от части, где он не происходил. На поверхности кристалла образуется ступенька, которая проходит через точку Е к краю кристалла.  Такое смещение нарушает параллельность атомных слоев и кристалл превращается в одну атомную плоскость, закрученную спиралью вокруг линии дислокации. Вблизи нее атомы смещаются из своих узлов и кристаллическая решетка нарушается, что вызывает образование поля напряжения: выше линии дислокации решетка сжата, а ниже — растянута.

Винтовые дислокации

Поверхностные, или плоские (двумерные) дефекты имеют малые размеры только в одном измерении. Они образуются между двумя кристаллическими поверхностями, повернуты и смещены друг относительно друга, или при неправильной упаковке частиц в слое, или на грани укоренившихся другой фазы в виде сети дислокаций. Кроме того, поверхностные дефекты возникают по границам зерен кристалла.

Двумерные поверхностные дефекты

Объемные (трехмерные) дефекты — это нагромождение вакансий, пустот, пор, каналов внутри кристалла; частицы, которые укоренились в кристалл во время его роста (растворитель, пузырьки газа), зародыши новой кристаллической фазы, возникающие при равновесных условий существования кристалла.  Трехмерные дефекты имеют относительно большие размеры во всех трех измерениях. Они представляют собой конгломераты из многих точечных и линейных дефектов, образуется при нарушении режима кристаллизации.

Дефекты любого типа влияют на свойства кристаллов, в частности на механическую прочность. Вместе с тем для проведения многих гетерогенных процессов бывает нужно иметь твердое тело с очень развитой внутренней поверхностью вследствие существования сети каналов, пор, трещин, поэтому для получения таких кристаллических веществ используются специальные методы созидания объемных дефектов. Регулировка количества дефектов кристаллической решетки позволяет модифицировать химические и физические свойства веществ в желаемом направлении, что, в свою очередь, дает возможность получать новые типы материалов с заранее заданными признаками.

 

 

Виды дефектов кристаллической решетки — Помощник для школьников Спринт-Олимпик.ру

Искажения в кристаллической решётке – это несовершенство правильного геометрического расположения атомов в кристаллическом твердом теле. Дефекты в кристаллах возникают в результате деформации твердого тела, быстрого охлаждения из-за высокой температуры или излучения высокой энергии (например, рентгеновских лучей или или нейтронов, падающих на твёрдое тело. Расположенные в отдельных точках — вдоль линий или на всей поверхности – эти искажения влияют на его механические, электрические и оптические свойства материала.

Различают точечные и линейные дефекты. Первые, в свою очередь, могут быть типу Френкеля, Шоттки или примесными. Дефект Френкеля состоит из одного иона, который смещается из своей нормальной точки решетки, перемещаясь в ближайший промежуток или пространство между атомами решётки. В дефекте Шоттки решётку покидают два иона противоположного знака. Примесные искажения — это чужеродные атомы, которые замещают некоторые из атомов, которые либо составляют твёрдое тело, либо проталкиваются в пустоты.

Линейные несовершенства или дислокации являются линиями, вдоль которых проходят целые ряды атомов в твердом теле. Результирующая неравномерность зазора наиболее заметна вдоль линии, называемой линией дислокации. Линейные дефекты могут ослаблять или укреплять твёрдые тела.

Изучение искажений кристаллической решётки важно для моделирования электрического поведения полупроводников, материалов, используемых в компьютерных микросхемах и других электронных устройствах, а также для оценки их влияния на механические свойства.

Содержание

• Точечные дефекты (нульмерные)
• Линейные (одномерные)
• Поверхностные (двухмерные)
• Объемные (трехмерные)

Точечные дефекты (нульмерные)

Точечные дефекты в кристаллах представляют собой искажения решётки с нулевой размерностью, т.е. ни в какой размерности они не обладают структурой решётки.

Типичные точечные несовершенства подразделяются на три группы:

Вакансии получают путём нагревания в концентрациях, достаточно высоких для количественных исследований. Для получения аналогичных концентраций межузельных атомов точечные искажения можно получить, выполняя внешнюю работу с кристаллом. Такая работа выполняется в атомном масштабе за счет облучения энергоёмкими частицами. Столкновения между посторонними атомами и атомами решётки вызывают смещения последних от мест замещения к местам внедрения. Таким образом, вакансии и междоузлия производятся в равных количествах. Поскольку одна вакансия и одно междоузлие вместе образуют дефект Френкеля, облучение, по сути, является процессом образования такого дефекта. Это невыгодно по сравнению с экспериментальным исследованием межузельных свойств, поскольку радиационно-индуцированные изменения свойств кристаллов всегда включают роль вакансий.

При пластической деформации также образуются вакансии и межузельные частицы. Хотя деформация обходится намного дешевле, чем облучение частицами, метод не стал общепринятой процедурой для создания точечных дефектов, поскольку не позволяет производить контролируемое образование искажений независимо от сложных сетей дислокаций.

Аномально высокие концентрации точечных несовершенств встречаются в некоторых нестехиометрических интерметаллических соединениях. Здесь вакансии и внедрения уже играют роль дополнительных легирующих элементов и имеют в этом смысле термодинамическое значение.

Другие методы получения точечных дефектов — быстрая закалка, испарение на холодных подложках или лазерный отжиг — зависят от термически активированного производства.

В чистых металлах и в большинстве сплавов вакансии обеспечивают термически активированный перенос атомов и, следовательно, свойства вакансий напрямую влияют на перенос атомов. Свойства вакансии дают информацию о межатомных силах с помощью особых возмущений, которые зависят от вакантного узла решётки.

Линейные (одномерные)

Дефекты кристаллического строения металлов могут проявляться в форме линейных дефектов или дислокаций. Дислокации — это линии, вдоль которых аномально расположены целые ряды атомов твёрдого тела. Результирующая неравномерность зазора наиболее заметна вдоль линии, называемой линией дислокации. Линейные искажения могут ослаблять или упрочнять твердые тела.

Поверхностные (или одномерные) дефекты могут возникать на границе между двумя зёрнами или небольшими кристаллами внутри кристалла большего размера. Ряды атомов в двух разных зёрнах могут проходить в отличающихся направлениях, что приводит к несоответствию на границе зерна. Внешняя поверхность кристалла фактически также является дефектом, потому что атомы вынуждены корректировать свое положение, чтобы приспособиться к отсутствию соседних атомов вне поверхности.

Линейные несовершенства, или, точнее, краевые дислокации, возникают тогда, когда последний слой остается незавершённым, так что в слоях, которые располагаются выше и ниже него, образуется своего рода ступенька. Поскольку длина линейных дефектов в определённом объёме стали или сплава может составлять в сумме один световой год, это открытие должно иметь большое практическое значение, поскольку структура стали зависит, среди прочего, от того, насколько она ковкая, жёсткая и пластичная. — свойства, которые материаловеды хотят постоянно оптимизировать.

Поверхностные (двухмерные)

Основная часть исследований в области химии поверхности связана с механизмами реакций на поверхности и идентификацией адсорбированных и реагирующих частиц.

Однако небольшое количество исследователей интересуются влиянием поверхности на возникновение и развитие дефектов. Структура поверхности на атомарном уровне может определять свойства материала.

Известно, что несовершенства структуры кристаллов, являясь активными центрами, контролируют многие механические и химические свойства твёрдых тел. С увеличением общего количества поверхностных дефектов растёт число атомов с различным числом разорванных связей.

Двухмерные искажения подразделяются на три группы:

Возникающие на границах зёрен.

Дефекты упаковки.

Границы зон двойникования.

Все поверхностные структуры получаются в результате различной ориентации смежных кристаллических решёток.

Объемные (трехмерные)

Междуузельные соединения являются наиболее распространенным представителем объёмных дефектов.

Трёхмерные искажения решётки образуются из-за большого возмущения её размеров. Следствием такого возмущения являются изменения, которые связаны с динамическими и статическими свойствами материалов.

Объёмные несовершенства играют ключевую роль в развитии типичных структур повреждений, которые определяют не только микроструктуру, но и микрохимию сплавов.

Предыдущая

МатериаловедениеЖаропрочные и жаростойкие виды стали: марки, состав

Следующая

МатериаловедениеСвойства и применение тугоплавких металлов

Дефекты кристалла | это… Что такое Дефекты кристалла?

Дефектами кристалла называют всякое нарушение трансляционной симметрии кристалла — идеальной периодичности кристаллической решётки. Различают несколько видов дефектов по размерности. А именно, бывают нульмерные (точечные), одномерные (линейные), двумерные (плоские) и трёхмерные (объемные) дефекты.

Содержание 1 Нульмерные дефекты 1.1 Термодинамика точечных дефектов 1.2 Миграция точечных дефектов 1.3 Источники и стоки точечных дефектов 1.4 Комплексы точечных дефектов 2 Одномерные дефекты 3 Двумерные дефекты 4 Трёхмерные дефекты 5 Методы избавления от дефектов 6 Полезные дефекты 7 См. также 8 Литература

Нульмерные дефекты

К нульмерным (или точечным) дефектам кристалла относят все дефекты, которые связаны со смещением или заменой небольшой группы атомов (собственные точечные дефекты), а также с примесями. Они возникают при нагреве, легировании, в процессе роста кристалла и в результате радиационного облучения. Могут вноситься также в результате имплантации. Свойства таких дефектов и механизмы их образования наиболее изучены, включая движение, взаимодействие, аннигиляцию, испарение.

• Вакансия — свободный, незанятый атомом, узел кристаллической решетки.
• Собственный межузельный атом — атом основного элемента, находящийся в междоузельном положении элементарной ячейки.
• Примесный атом замещения — замена атома одного типа, атомом другого типа в узле кристаллической решетки. В позициях замещения могут находиться атомы, которые по своим размерам и электронным свойствам относительно слабо отличаются от атомов основы.
• Примесный атом внедрения — атом примеси располагается в междоузлии кристаллической решетки. В металлах примесями внедрения обычно являются водород, углерод, азот и кислород. В полупроводниках — это примеси, создающие глубокие энергетические уровни в запрещенной зоне, например, медь и золото в кремнии.

В кристаллах часто наблюдаются также комплексы, состоящие из нескольких точечных дефектов, например: пара Френкеля (вакансия + собственный междоузельный атом), дивакансия (вакансия + вакансия), А-центр (вакансия + атом кислорода в кремнии и германии) и др.

Термодинамика точечных дефектов

Точечные дефекты повышают энергию кристалла, так как на образование каждого дефекта была затрачена определенная энергия. Упругая деформация обуславливает очень малую долю энергии образования вакансии, так как смещения ионов не превышают 1 % и соответствующая им энергия деформации составляет десятые доли эВ. При образовании межузельного атома смещения соседних ионов могут достигать 20 % от межатомного расстояния, а соответствующая им энергия упругой деформации решетки — нескольких эВ. Основная доля образования точечного дефекта связана с нарушением периодичности атомной структуры и сил связи между атомами. Точечный дефект в металле взаимодействует со всем электронным газом. Удаление положительного иона из узла равносильно внесению точечного отрицательного заряда; от этого заряда отталкиваются электроны проводимости, что вызывает повышение их энергии. Теоретические расчеты показывают, что энергия образования вакансии в ГЦК решетке меди составляет около 1 эВ, а межузельного атома — от 2. 5 до 3.5 эВ.

Несмотря на увеличение энергии кристалла при образовании собственных точечных дефектов, они могут находиться в термодинамическом равновесии в решетке, так как их образование приводит к росту энтропии. При повышенных температурах рост энтропийного члена TS свободной энергии из-за образования точечных дефектов компенсирует рост полной энергии кристалла U, и свободная энергия оказывается минимальной.

Равновесная концентрация вакансий:

где E₀ — энергия образования одной вакансии, k — постоянная Больцмана, T — абсолютная температура. Эта же формула справедлива для межузельных атомов. Формула показывает, что концентрация вакансий должна сильно зависеть от температуры. Формула для расчета проста, но точные количественные значения можно получить, только зная величину энергии образования дефекта. Рассчитать же теоретически эту величину весьма трудно, поэтому приходится довольствоваться лишь приближенными оценками.

Так как энергия образования дефекта входит в показатель степени, то это различие обусловливает громадную разницу в концентрации вакансий и межузельных атомов. Так, при 1000 °C в меди концентрация межузельных атомов составляет всего лишь 10⁻³⁹, что на 35 порядков меньше концентрации вакансий при этой температуре. В плотных упаковках, какие характерны для большинства металлов, очень трудно образовываться межузельным атомам, и вакансии в таких кристаллах являются основными точечными дефектами (не считая примесных атомов).

Миграция точечных дефектов

Перемещение атома на вакантное место в слое плотнейшей упаковки

Атомы, совершающие колебательное движение, непрерывно обмениваются энергией. Из-за хаотичности теплового движения энергия неравномерно распределена между разными атомами. В какой-то момент атом может получить от соседей такой избыток энергии, что он займет соседнее положение в решетке. Так осуществляется миграция (перемещение) точечных дефектов в объеме кристаллов.

Изменение энергии атома при перемещении его в вакантный узел

Если один из атомов, окружающих вакансию, переместится в вакантный узел, то вакансия соответственно переместится на его место. Последовательные элементарные акты перемещения определенной вакансии осуществляются разными атомами. На рисунке показано, что в слое плотноупакованных шаров (атомов) для перемещения одного из шаров в вакантное место он должен раздвинуть шары 1 и 2. Следовательно, для перехода из положения в узле, где энергия атома минимальна, в соседний вакантный узел, где энергия также минимальна, атом должен пройти через состояние с повышенной потенциальной энергией, преодолеть энергетический барьер. Для этого и необходимо атому получить от соседей избыток энергии, который он теряет, «протискиваясь» в новое положение. Высота энергетического барьера E_m называется энергией активации миграции вакансии.

Источники и стоки точечных дефектов

Основным источником и стоком точечных дефектов являются линейные и поверхностные дефекты — см. ниже. В крупных совершенных монокристаллах возможен распад пересыщенного твердого раствора собственных точечных дефектов с образованием т. н. микродефектов.

Комплексы точечных дефектов

Простейший комплекс точечных дефектов — бивакансия (дивакансия): две вакансии, расположенные в соседних узлах решетки. Большую роль в металлах и полупроводниках играют комплексы, состоящие из двух и более примесных атомов, а также из примесных атомов и собственных точечных дефектов. В частности, такие комплексы могут существенно влиять на прочностные, электрические и оптические свойства твердых тел.

Одномерные дефекты

Основная статья: Дислокация (кристаллография)

Одномерные (линейные) дефекты представляют собой дефекты кристалла, размер которых по одному направлению много больше параметра решетки, а по двум другим — соизмерим с ним. К линейным дефектам относят дислокации и дисклинации. Общее определение: дислокация — граница области незавершенного сдвига в кристалле. Дислокации характеризуются вектором сдвига (вектором Бюргерса) и углом φ между ним и линией дислокации. При φ=0 дислокация называется винтовой; при φ=90° — краевой; при других углах — смешанной и тогда может быть разложена на винтовую и краевую компоненты. Дислокации возникают в процессе роста кристалла; при его пластической деформации и во многих других случаях. Их распределение и поведение при внешних воздействиях определяют важнейшие механические свойства, в частности такие как прочность, пластичность и др. Дисклинация — граница области незавершенного поворота в кристалле. Характеризуется вектором поворота.

Двумерные дефекты

Граница наклона

Основной дефект-представитель этого класса — поверхность кристалла. Другие случаи — границы зёрен материала, в том числе малоугловые границы (представляют собой ассоциации дислокаций), плоскости двойникования, поверхности раздела фаз и др.

Трёхмерные дефекты

Объёмные дефекты. К ним относятся скопления вакансий, образующие поры и каналы; частицы, оседающие на различных дефектах (декорирующие), например пузырьки газов, пузырьки маточного раствора; скопления примесей в виде секторов (песочных часов) и зон роста. Как правило, это поры или включения примесных фаз. Представляют собой конгломерат из многих дефектов. Происхождение — нарушение режимов роста кристалла, распад пересыщенного твердого раствора, загрязнение образцов. В некоторых случаях (например, при дисперсионном твердении) объемные дефекты специально вводят в материал, для модификации его физических свойств.

Методы избавления от дефектов

Основной метод, который помогает избавляться от дефектов в кристалле — метод зонной плавки. Этот метод хорошо применим для кремния. Плавят малую часть кристалла, чтобы впоследствии перекристаллизовать расплав. Используют также просто отжиг. Дефекты при повышенной температуре обладают высоким коэффициентом диффузии. Вакансии могут выходить на поверхность, и поэтому говорят об испарении дефектов.

Полезные дефекты

При пластической деформации металлов (например, ковке, прокатке), генерируются многочисленные дислокации, по-разному ориентированные в пространстве, что затрудняет разрушение кристалла по сетке дислокаций. Таким образом увеличивается прочность металла, но в то же время снижается пластичность.

В искусственно выращенных рубинах, сапфирах для лазеров добавляют примеси (Cr, Fe, Ti) элементов — окрашивающие центры, которые участвуют в генерации когерентного света.

См. также

• Алгоритм имитации отжига
• Эффект Иоффе

Литература

• Границы зерен и свойства металлов. Кайбышев О. А., Валиев Р. З. М.:Металлургия, 1987. 214 с.
• Штремель М. А. Прочность сплавов. Ч. I. Дефекты решетки. М., 1982.

Физические показатели | Всё о красках

В зависимости от внешних условий возможно три агрегатных состояния вещества, каждое отличается характером движения частиц, который, в свою очередь, зависит от типа связи их друг с другом. По степени распространенности среди твердых тел выделяется кристаллическое состояние, кое характеризуется строго определенной ориентацией частиц друг относительно друга. Это, в свою очередь, обуславливает и внешнюю форму тела в виде какого-либо многоугольника – кристалла. В идеале кристалл ограничен плоскими гранями, сходящимися в точечных вершинах и прямолинейных ребрах. Такие монокристаллы иногда встречаются в природе, можно также получить их искусственно. Но большинство известных кристаллических тел являются поликристаллическими, т.е. сростками большого количества мелких кристаллов, имеют неправильную внешнюю форму но правильное внутреннее строение.

Получение кристаллов из растворов называют кристаллизацией. Процесс кристаллизации включает в себя:

1.  Образование перенасыщенных растворов

2.  Возникновение зародышей кристаллизации

3.  Рост кристалла

4.  Перекристаллизация (сочетание процессов растворения и кристаллизации)

Одним из способов получения перенасыщенных растворов является химическое взаимодействие веществ. Если в результате химической реакции образуется малорастворимое вещество, то со временем его концентрация становится выше растворимости и раствор по отношению к нему становится перенасыщенным.

Кристаллизация включает два процесса:

1.  Рост уже имеющихся центров кристаллизации за счет отложения новых молекулярных слоев

2.   Возникновение центров кристаллизации

В зависимости от условий эти процессы идут с разными скоростями. Если скорость первого процесса значительно больше скорости второго, то образуются крупные кристаллы, если наоборот – аморфный осадок, если скорости приблизительно равны, то образуется полидисперсная кристаллическая система.

Массовому возникновению центров кристаллизации способствует быстрое смешение холодных растворов, при медленном смешении горячих растворов образуются крупные кристаллы. Если в сосуде находятся полидисперсные кристаллы одного и того же вещества, то со временем будет постепенно происходить рост крупных кристаллов за счет растворения мелких. Это объясняется тем, что из-за большей удельной поверхности мелких частиц раствор по отношению к ним является ненасыщенным и наоборот. Теоретически, этот процесс завершится образованием одного крупного кристалла. Различная скорость роста отдельных граней кристалла обуславливает разнообразие форм. Изучением формы кристаллов занимается кристаллография.

Фазовое состояние твердого тела, характеризующееся правильной периодической повторяемостью в пространстве расположения структурных элементов называется кристаллическим состоянием. Все неорганические и органические пигменты являются кристаллическими веществами, и большая часть их физических и технических свойств определяется именно кристаллическим состоянием.

В зависимости от вида структурных элементов и преобладающего характера связи между ними кристаллы подразделяются на атомные (ковалентная связь), ионные (ионная связь), молекулярные (силы межмолекулярного притяжения) и металлические (металлическая связь). Среди пигментоввстречаются кристаллы со всеми видами связи, однако не всегда можно достаточно строго отнести кристалл к тому или другому виду. Чаще всего связи в кристаллах пигментов, по своей природе являющихся солями или оксидами, имеют ковалентный или ионно-ковалентный характер. Молекулярные кристаллы наиболее характерны для органических пигментов. Преобладающий характер связи определяет многие свойства кристаллов — твердость, температуру плавления, электрические свойства и др.

То или иное конкретное расположение структурных элементов вещества в пространстве носит название кристаллической структуры. Определенный отрезок, при переносе на который в каком-либо направлении вся кристаллическая структура совмещается сама с собой, называется трансляцией. Совокупность трансляций образует кристаллическую
решетку.

Важнейшим признаком кристаллов является их симметрия, характеризуемая  элементами  симметрии   (плоскости,  оси  и  центры  симметрии). Для кристаллов возможны 32 различных набора элементов симметрии. Это — так называемые классы симметрии. Параллелепипед,  построенный из кратчайших трансляций, которые направлены по координатным осям, соответствующим симметрии кристалла, называется элементарной ячейкой. Углы при ее вершине и длины трансляций, являющихся ее ребрами, называются
параметрами решетки. В зависимости от направления координатных   осей   и   соотношения размеров трансляций, из которых   образована   элементарная   ячейка, все классы симметрии, которые возможны для кристаллических решеток, делятся на 6 систем, называемых сингониями: кубическая, тетрагональная, гексагональная,   ромбическая,   моноклинная   и   триклинная. Кубическая сингония относится к высшей категории симметрии, тетрагональная   и   гексагональная — к средней, ромбическая, моноклинная и триклинная — к низшей.

Если элементарные ячейки, соответствующие шести сингониям, дополнить, по мере возможности, кратчайшими трансляциями, не совпадающими с осями координат, то в элементарных ячейках появятся дополнительные узлы кристаллической решетки. Эти узлы будут располагаться в пространстве между вершинами параллелепипеда, представляющего собой элементарную ячейку. Они могут располагаться в центрах всех граней,— такая решетка носит название гранецентрированной; в центрах пары противоположных граней — базоцентрированная решетка; в центре ячейки — объемноцентрированная решетка. Если в ячейке нет узлов, кроме узлов в вершинах, то ячейка называется примитивной. Таким образом, по виду центровки решетки кубической сингонии подразделяются на гранецентрированные, объемноцентрированные и примитивные; решетки гексагональной сингонии — на дважды центрированные (два узла на большей объемной диагонали) и примитивные; решетки ромбической сингонии — на объемноцентрированные, базоцентрированные, гранецентрированные и примитивные; решетки моноклинной сингонии — на базоцентрированные и примитивные,_Решетка—триклинной сингонии

может быть только примитивной. Эти 14 видов кристаллических решеток называются решетками Браве.

Для кристаллического состояния весьма характерно явление полиморфизма. Полиморфизм — это способность одного и того же химического вещества существовать в виде двух или нескольких кристаллических структур (модификаций). Переход из одной кристаллической модификации в другую называется полиморфным превращением. Кристаллические модификации одного и того же вещества обозначаются буквами греческого алфавита в порядке повышения температуры стабильного состояния данной модификации. Однако в химии пигментов для обозначения тех или иных модификаций часто пользуются исторически сложившимися названиями. Каждая кристаллическая модификация стабильна в определенном температурном интервале. Переход из одной модификации в другую сопровождается тепловым эффектом. Переход высокотемпературной модификации в низкотемпературную сопровождается выделением теплоты, обратный переход — поглощением теплоты. Переход одной кристаллической модификации в другую характеризуется обычно очень высоким значением энергии активации. В случае перегрева вблизи температуры полиморфного превращения, а при переохлаждении даже при очень большом удалении от нее, число структурных элементов, обладающих достаточной энергией для перестройки в пространстве, невелико, тем более, что поглощенная твердым телом энергия, даже сравнительно большая, распределяется между колоссальным числом

структурных элементов. Поэтому вероятность полиморфного превращения незначительна. Таким образом, при данных условиях могут существовать метастабильные кристаллические модификации, т. е. модификации относительно устойчивые, но термодинамически неравновесные.

Знание и использование возможных полиморфных превращений того или иного химического соединения, применяемого в качестве пигмента, позволяет направленно регулировать его физико-химические свойства, которые у разных модификаций могут сильно различаться. Ближе по свойствам кристаллы в том случае, если они относятся к одной и той же категории симметрии, и тем более к одной и той же сингонии. Переход от низшей категории симметрии к средней вызывает в этом случае резкое расширение полосы поглощения света в длинноволновую область, что вызывает значительное изменение окраски пигмента.

Модификации, относящиеся к одной сингонии, могут довольно значительно различаться по ряду физико-химических свойств — по плотности, показателю преломления, твердости и прочности кристаллов. Например диоксид титана анатазной модификации имеет плотность 3840 кг/м3 и показатель преломления 2,3, а рутильной модификации — 4200 кг/м3 и 2,6 соответственно. Рутил характеризуется большей твердостью, чем анатаз, и большей склонностью к явлению фототропии (обратимому изменению окраски под действием света в присутствии небольших количеств примесей), тогда как анатаз проявляет большую фотохимическую активность, нежели рутил.

Получая в результате синтеза ту или иную кристаллическую модификацию или смесь модификаций, можно в довольно широких пределах варьировать многие свойства пигмента.

Некоторые соединения, близкие по химическому составу, могут образовывать одинаковые кристаллические структуры. Это явление называется изоструктурностью. Если соответствующие структурные единицы изоструктурных соединений способны к образованию близких по характеру связей и мало отличаются по объему, то эти соединения могут образовывать смешанные кристаллы. Такие химические соединения называют изоморфными.

Явления изоструктурности и изоморфизма широко используют при синтезе пигментов для управления процессами кристаллизации и повышения устойчивости метастабильных кристаллических модификаций (например, при синтезе лимонного свинцового крона для стабилизации ромбической модификации хромата свинца его соосаждают с изоморфным ему более устойчивым сульфатом свинца).

Многие свойства реальных кристаллических веществ, в отличие от идеальных кристаллов, в большой степени зависят от дефектов кристаллической структуры. Различают точечные, линейные, поверхностные  и объемные дефекты. Точечным дефектом может являться вакансия, т. е. отсутствие атома или иона в узле кристаллической решетки, или атом или ион (принесенный или собственный), располагающийся между узлами. Линейные дефекты, или дислокации,—
это нарушение периодичности расположения атомов или ионов вдоль какой-либо линии. Длина дислокации соизмерима с размерами кристалла, а ширина не превышает нескольких межатомных расстояний. Поверхностные дефекты — это нарушение периодичности кристаллической решетки, распространяющееся в двух направлениях. Толщина поверхностных дефектов не превышает нескольких межатомных расстояний. Объемные дефекты —
это макродефекты, представляющие собой включения в кристалл частиц другой фазы, микрополости, поры. Дефекты возникают как в ходе процесса кристаллизации, так и в последующих процессах термической обработки и механического измельчения, вызывающего деформацию кристаллов.

Все виды дефектов кристаллической решетки оказывают значительное влияние на свойства пигментов. Точечные дефекты влияют на цвет кристаллов, показатель преломления, плотность, электрическую проводимость, магнитные свойства. Наличие в кристаллической решетке посторонних атомов, даже в очень малых количествах, может вызывать явление фототропии — обратимого изменения свойств кристалла под действием света. Так, диоксид титана анатазной модификации, содержащий незначительное количество примесей железа, хрома и никеля, под действием света приобретает коричневую окраску, исчезающую в темноте.

Поверхностные дефекты разделяют кристаллы на отдельные блоки различной формы и размеров, разориентированные друг относительно друга на некоторый угол, что придает кристаллам мозаичное строение. Выходящие на поверхность кристаллов поверхностные дефекты и дислокации вызывают ее микронеоднородность. Нарушение упорядоченности расположения атомов или ионов на поверхности по местам выхода линейных или поверхностных дефектов можно рассматривать как микрообласти с аморфным состоянием, характеризующимся повышенным запасом поверхностной энергии.

От объемных дефектов зависит прочность кристаллов, что играет важную роль в процессах механического измельчения и диспергирования пигментов.

Точечные дефекты вызывает нестехиометричность соединения как в объеме кристалла, так и на его поверхности. В частности, такая нестехиометричность характерна для диоксида титана: из-за наличия вакансий содержание кислорода в кристаллической решетке может быть меньше стехиометрического на 0,1 моль. Нестехиометричность характерна для оксида цинка, в котором содержание кислорода может превышать стехиометрическое. Отклонение от стехиометрии, вызванное наличием в кристаллической решетке точечных дефектов, наблюдается и у других, оксидных пигментов (оксидов железа, свинца и др.).

Присутствие в кристаллической решетке посторонних ионов оказывает влияние на поверхностные свойства пигментов. Если посторонний ион имеет одинаковый заряд с ионом кристаллической решетки и отличается от последнего ионным радиусом, наблюдается деформация решетки. Такие дефекты в приповерхностном слое вызывают появление участков с повышенной поверхностной энергией, что влияет на адсорбционные свойства поверхности.

5. Классификация дефектов кристаллического строения. Точечные дефекты, зависимость их концентрации от температуры.

Краевая и винтовая дислокации

5. Классификация дефектов кристаллического строения. Точечные дефекты, зависимость их концентрации от температуры. Краевая и винтовая дислокации

Монокристалл можно вырастить из жидкого расплава. Монокристалл представляет кусок металла из одного кристалла. Металлы и сплавы, которые получают при обычных условиях, состоят из большого количества кристаллов и имеют поликристаллическое строение. Эти кристаллы называют зернами, и они имеют неправильную форму. Каждое зерно имеет свою ориентировку кристаллической решетки, и она отличается от ориентировки соседних зерен.

Внутреннее кристаллическое строение зерна не является правильным. В кристаллических решетках металлов имеются дефекты (несовершенства), которые нарушают связи между атомами и оказывают влияние на свойства металлов. Все дефекты решетки это нарушения укладки атомов в решетке. Поверхностные несовершенства – границы зерен металла. Различают следующие структурные несовершенства: дефект решетки, точечный, малый, линейный, плоский. Дефекты кристаллов значительно меняют физические, механические, химические, технологические свойства металлов.

К точечным дефектам относятся вакансии (пустые узлы), чужеродные атомы внедрения. Чем выше температура, тем больше дефектов.

Атомы примесей являются одним из самых распространенных несовершенств кристаллической структуры (вакансии, дислоцированные атомы).

Вакансии – это пустой узел кристаллической решетки, который образуется из-за различных причин. Источники вакансий – границы зерен, в которых нарушено правильное расположение атомов. Число вакансий и их концентрация зависят от температуры в обработке. Число вакансий увеличивается с повышением температуры. Одиночные вакансии встречаются при перемещении по кристаллу и объединяются в пары, образуя дивакансии, при этом уменьшается их суммарная поверхность, устойчивость спаренной вакансии возрастает, возможно образование тривакансий и целых цепочек.

Дислоцированные атомы – это атомы, вышедшие из узла кристаллической решетки и занявшие место в междоузлии. Относятся к точечным дефектам.

Примесные атомы занимают в кристаллической решетке место основных атомов или внедряются внутрь ячейки (разновидность точечных дефектов).

Если правильность кристаллического строения вокруг вакансий, дислоцированных атомов и атомов примесей нарушается, то нарушается и уравновешенность силовых полей атомов во всех направлениях. Все изменения составляют не больше нескольких атомных диаметров. Точечные дефекты взаимодействуют друг с другом. Имеет место взаимодействие точечных дефектов и с дефектами линейными – дислокациями.

Линейные дефекты малы в двух измерениях, в третьем они большего размера, который может быть соизмерим с длиной кристалла. К линейным дефектам относятся цепочки вакансий, межузельных атомов и дислокации. Дислокации могут быть достаточно протяженными в одном направлении, и иметь небольшое протяжение в противоположном направлении. От наличия дислокаций напрямую зависят прочность и пластичность металлов.

Линейные несовершенства – дислокации, они являются особым видом несовершенств в кристаллической решетке. Характеристикой дислокационной структуры является плотность дислокаций.

В настоящее время известны различные механизмы образования дислокаций. Дислокации могут возникать при росте зерен, при образовании субзерен. Экспериментально установлено, что границы зерен и блоков имеют большую плотность дислокаций. При кристаллизации из расплава энергетически выгодно, когда зародыш растет с образованием винтовой дислокации на его поверхности. Способствуют образованию дислокаций и сегрегации примесей. В затвердевшем металле дислокации возникают в результате скопления вакансий.

Область несовершенства кристалла вокруг края экстраплоскости называется краевой (линейной) дислокацией. Краевая дислокация представляет быстрозатухающее поле упругих напряжений в кристаллической решетке вокруг края экстраплоскости, которое вызвано тем, что выше этого края параметры решетки несколько сжаты, а ниже соответственно растянуты. В одном измерении протяженность дислокации имеет макроскопический характер (дислокация может обрываться только на границе кристалла – она является границей зоны сдвига). Движение краевой дислокации – консервативное.

Если экстраплоскость находится в верхней части кристалла, то дислокацию называют положительной; если экстраплоскость находится в нижней части кристалла, то ее называют отрицательной.

Винтовые дислокации образуются, если две части кристалла сдвинуты к плоскости скопления вакансий.

Если винтовая дислокация образована вращением по часовой стрелке, то ее называют правой, если вращение против часовой стрелки – левой. Вакансия и межузельные атомы к винтовой дислокации не стекают. Также возможно образование частичных и смешанных дислокаций. Образование дислокаций повышает энергию кристалла.

Дислокации способствуют увеличению внутреннего напряжения в металлах. Применение поляризованного света позволяет выявить поля напряжений, возникающие вокруг дислокаций.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Дефекты мебели и способы их устранения

Дефекты мебели и способы их устранения Причины возникновения дефектов мебели можно условно разделить на несколько групп. Основными причинами дефектов, возникающих от нарушения правил эксплуатации мебели, являются: хранение в сыром помещении; повышенная температура и

4.4.2. Методы контроля качества, анализа дефектов и их причин

4.4.2. Методы контроля качества, анализа дефектов и их причин Технический контроль — это проверка соответствия объекта установленным техническим требованиям, составная и неотъемлемая часть производственного процесса. Контролю подвергаются:поступающие на предприятие

3. Пороки строения древесины

3. Пороки строения древесины При переработке древесины часто встречаются пороки строения древесины, связанные с неправильным строением ствола. Различают следующие виды пороков строения древесины:1) косослой, или наклон волокон, представляющий собой отклонение волокон

КЛАССИФИКАЦИЯ И ОСОБЕННОСТИ

КЛАССИФИКАЦИЯ И ОСОБЕННОСТИ Более ста лет назад (илл. 1), в 1887 году в Москве на русском языке вышла книга В.В. Гринера «Ружьё». Есть там упоминание и о ружьях с односпусковым механизмом. В то далёкое время автор уже пишет, что, по его мнению, ружьё будущего будет двуствольным,

КРАЕВЫЕ ДИСЛОКАЦИИ ВОСПЕТЬ ИЛИ ПРОКЛЯСТЬ

КРАЕВЫЕ ДИСЛОКАЦИИ ВОСПЕТЬ ИЛИ ПРОКЛЯСТЬ Приближение – начало познания. Хулио Кортасар Вот вопрос, вставший перед автором с первой мыслью о написании этой книги. И действительно, сплошь и рядом разрушение и его оружие – трещина – это беда, а когда они сопровождаются

47. Контактные методы измерения температуры

47. Контактные методы измерения температуры Для измерения температуры используются следующие методы.1. Контактные методы – предполагают наличие надежного контакта с предметом, у которого снимается температура. При таком контакте пределы измерения измеряемой

48.

 Бесконтактные методы измерения температуры

48. Бесконтактные методы измерения температуры Бесконтактные методы измерения температуры. Методы также называют пирометрами. Их преимущества перед предыдущими в том, что из-за их мало-инерционности, которая повышает точность измерений, становится возможной

Приложение 2. Оптимальные допустимые нормы температуры, и скорости движения воздуха в рабочей зонепроизводственных помещений

Приложение 2. Оптимальные допустимые нормы температуры, и скорости движения воздуха в рабочей зонепроизводственных помещений Оптимальные и допустимые нормы температуры и скорости движения воздуха в рабочей зоне производственных помещений при относительной влажности

Эталон температуры

Эталон температуры В физике есть несколько разных «температур», высокая метрология знает одну — термодинамическую температуру. Это та самая, которя однозначно связана с энергией через постоянную Больцмана (поэтому физики часто измеряют температуру в единицах энергии

Измерение температуры

Измерение температуры Автор этой книги треть жизни занимался измерением температуры — правда, температуры катодов электронно-вакуумных приборов. И сегодня его сердце начинает биться учащенно в четырех ситуациях: когда он входит в спортзал (запах пота и спортивных

Причины отсутствия эффекта противоскольжения у шипованных шин и возможные причины дефектов

Причины отсутствия эффекта противоскольжения у шипованных шин и возможные причины дефектов Таблица 1 Советы профессионалов : 1. Если на импортной резине обнаружатся остатки краски красного цвета, значит она из – за косметических дефектов была переведена на класс ниже.

25.

 Зависимость механических и физических свойств от состава в системах различного типа

25. Зависимость механических и физических свойств от состава в системах различного типа Свойство – это количественная или качественная характеристика материала, определяющая его общность или различие с другими материалами.Выделяют три основные группы свойств:

Кристаллографические дефекты – технические науки

Кристаллографические дефекты – это отклонения от идеальной микроскопической решетки металлов, такие как вакансии или дислокации.

• 1 Введение
• 2 -точечные дефекты
  • 2.1 Вакансии
  • 2,2 Заместительный атом
  • 2,3 Атомы.0006
  • 4.3 Двойная граница зерен
  • 4.4 Фазовая граница
  • 4.5 Дефекты упаковки
• 5 Объемные дефекты

Введение

Предыдущая статья касалась однородности и безошибочности металлоконструкций. Однако таких идеальных кристаллов в действительности не существует, или их можно получить только в очень малых масштабах и с огромными затратами (например, в так называемых вискерах ).

Рисунок: Идеальный кристалл

Реальные металлы не имеют идеальной структуры решетки, но имеют так называемые кристаллографические дефекты . На этих дефектах реальная решетка отклоняется от идеализированной идеальной структуры.

Рисунок: Реальный кристалл с кристаллографическими дефектами

На рисунке выше показаны примеры различных кристаллографических дефектов, которые можно разделить в зависимости от их влияния на окружающую структуру. В следующих разделах более подробно рассматриваются эти типы примесей:

• 0-мерные кристаллографические дефекты (точечные дефекты)
• 1-мерные кристаллографические дефекты (линейные дефекты)
• 2-мерные кристаллографические дефекты (дефекты в форме площади)
• 3-мерные кристаллографические дефекты (дефекты в форме объема)

Точечные дефекты

Точечные дефекты также называются 0-мерными дефектами и нарушают решетку только внутри очень ограниченная (точечная) область. В следующих разделах обсуждаются эти типы точечных дефектов:

• вакансии
• замещающие атомы
• межузельные атомы

Рисунок: Кристаллографические точечные дефекты

Вакансии

Вакансии представляют собой места в структуре, которые не заняты атомом и поэтому остаются вакантными. Плотность вакансий обычно экспоненциально возрастает с ростом температуры. Причиной этого являются повышенные колебания решетки, которые «срывают» некоторые атомы с их постоянных позиций. Если атомы мигрируют путем самодиффузии к поверхности металла, они оставляют в материале вакансионный дефект. Однако это также означает, что вакансий в металле избежать в принципе невозможно, так как они находятся в термодинамическое равновесие . Эти типы вакансий также называются тепловыми вакансиями .

Вакансии представляют собой незанятые узлы в структуре решетки. Они обычно находятся в термодинамическом равновесии и их нельзя избежать!

На 1 квадриллион (10 ¹⁵ ) атомов приходится при комнатной температуре примерно одна вакансия. Непосредственно ниже температуры плавления уже на одну вакансию приходится 10 000 атомов (10 ⁴ ).

Вакансии также могут быть «захвачены» в материале путем быстрого охлаждения из горячего состояния. Однако они не находятся в термодинамическом равновесии и со временем частично восстанавливаются за счет диффузионных процессов (9).0039 атермические вакансии ).

Замещающий атом

Однако в структуру решетки вмешиваются не только вакансии. Кроме того, металл не свободен от посторонних атомов. В структуре решетки эти посторонние атомы могут вытеснять реальные атомы металла и, таким образом, занимать их позиции в решетке. Поскольку фактический атом металла был заменен чужеродным атомом, его также называют замещающим атомом .

Замещающие атомы — это чужеродные атомы, занимающие обычные позиции!

Межузельные атомы

Еще одна возможность размещения посторонних атомов состоит в хранении их в междоузельном пространстве, т. е. в центре куба гранецентрированной кубической элементарной ячейки (также называемой октаэдрической площадкой ). Атомы, которые не находятся на обычных позициях, но находятся между ними, называются межузельными атомами .

Межузельные атомы занимают не обычные позиции, а междоузельные позиции.

Посторонние атомы могут особенно хорошо мигрировать (диффундировать) через материал из-за колебаний решетки, если имеется много вакансий. Существует достаточно места, чтобы перейти от одной вакансии к другой. Поэтому вакансии играют важную роль в процессах диффузии инородных атомов!

Линейные дефекты

Линейные дефекты также называются одномерными кристаллографическими дефектами. Они нарушают кристаллическую структуру на большей площади по сравнению с точечными дефектами. Сюда входят только так называемые краевых дислокаций и винтовых дислокаций :

• краевых дислокаций
• винтовых дислокаций

дальнейшее подключение. Его можно представить как вставленную атомную плоскость в уже существующую структуру. «Ребро» этой вставленной атомной плоскости также упоминается как линия дислокации или ядро ​​дислокации и часто обозначается на чертежах буквой «Т». Вдоль этих дислокационных линий структура решетки сильно искажена и имеет напряжения. Линия дислокации либо образует замкнутое кольцо, либо выходит за пределы поверхности кристалла (зерна), либо оканчивается на других дефектах.

Краевая дислокация представляет собой вставленную атомную плоскость, не продолжающуюся в структуре решетки!

В отличие от краевой дислокации винтовая дислокация наматывает атомную плоскость вдоль линии дислокации через кристалл, как резьба винта. В кристалле всегда встречаются комбинации обоих типов дислокаций.

Дислокации возникают при затвердевании расплавов или вследствие напряжений в металле. Но они также вводятся пластической деформацией (деформационное упрочнение или деформационное упрочнение ). Дислокации играют центральную роль в процессах деформирования, так как они в значительной степени обусловливают хорошую пластичность металлов.

Дислокации играют центральную роль в пластичности металлов!

Плотность дислокаций в кристалле определяется как общая длина всех дислокационных линий в объеме. В металле на квадратный миллиметр приходится дислокационные линии общей протяженностью около 1 км. Холодная обработка увеличивает длину дислокации на квадратный миллиметр примерно до 1 миллиона километров! Однако при плотности дислокаций около 100 миллионов километров на квадратный миллиметр материал настолько поврежден, что в принципе разрушается.

Плоские дефекты

По сравнению с линейными кристаллографическими дефектами, плоские дефекты нарушают структуру решетки в пространственно большей области. Следующие дефекты попадают в эту категорию так называемых двумерных дефектов:

• большеугловые границы зерен
• малоугловые границы зерен
• границы фаз
• дефект упаковки

границы зерен

02 9003 границы зерен области в кристалле внутри структуры решетки показывают однородную пространственную ориентацию. Эти границы представляют собой бесструктурные области толщиной всего лишь от 2 до 4 атомных расстояний. Сами равномерно выровненные области называются зерна или как кристаллиты . Элементарные ячейки одинаковы для каждого зерна, они имеют только разную пространственную ориентацию (повернутые, зеркально отраженные и т.д.).

Рисунок: Граница зерен

Структура зерен формируется при затвердевании расплавленного металла, так как расплав обычно затвердевает не из одной точки, а во многих точках одновременно (исключение: монокристаллы или монокристаллы! ). В каждой из этих точек затвердевания (т.н. ядер ), структура решетки формируется с собственной ориентацией. Растущие зерна сталкиваются после полного затвердевания расплава и образуют границы зерен.

Зерно относится к области кристалла с однородной пространственной ориентацией решетки. Разные зерна разделены границами зерен!

Малоугловая граница зерен

Отклонение ориентации кристалла также может возникать при наложении нескольких дислокаций. Поскольку эти ошибки изменяют ориентацию решетки всего на несколько градусов (<15°), то также говорят о малоугловая граница зерна . Из-за лучшего разграничения границы зерен, описанные выше, часто называют границами зерен с большим углом .

Рис. Граница зерен под малым углом

Двойная граница зерен

Особым типом границы зерен является так называемая двойная граница . В этом случае противоположные решетчатые структуры просто упорядочиваются в зеркальном отображении. Такая двойниковая граница зерен имеет высокую симметрию и, следовательно, низкую энергию.

Двойниковые границы часто видны под микроскопом как прямые линии, тогда как «нормальные» границы зерен характеризуются более изогнутыми линиями. Двойные границы зерен очень часто образуются в таких металлах, как латунь, медь и аустенит (γ-Fe).

В то время как границы зерен обычно образуют несогласованные границы раздела, границы двойных зерен демонстрируют полностью когерентный интерфейс (концепцию когерентности см. в следующем разделе).

Фазовая граница

Так называемая фазовая граница образует другой тип планарных кристаллографических дефектов.

Фаза – это пространство с однородной химической структурой!

Фаза может представлять собой скопление легирующих элементов в основной решетке металла. Таким образом, фазовая граница пространственно разграничивает две разные химические структуры. В зависимости от того, как сливаются структуры различных фаз, различают когерентную , частично когерентную или некогерентную фазовую границу .

Рисунок: Фазовая граница

С когерентной фазовой границей две структуры сливаются друг с другом без каких-либо промежутков. Это верно, если две фазы имеют однородную структуру и сходные химические свойства.

Однако, если фазы несколько различаются по своим свойствам, решеточные структуры уже не сливаются полностью друг с другом. Поэтому дислокации должны присутствовать через равные промежутки времени. Затем говорят о частично когерентная фазовая граница. .

Напротив, при некогерентной границе раздела фаз ни структура решетки, ни химические свойства двух фаз не совпадают. Структура похожа на границу зерна под большим углом, но состоит из двух отдельных фаз. Границы фаз не искажаются до такой степени, как в случае большеугловых границ зерен.

Дефект штабелирования

Другим плоским дефектом является так называемый дефект штабелирования . Это локально отличающаяся последовательность укладки иначе периодически расположенных плоскостей. Например, последовательность укладки ближайших плоскостей в гранецентрированной кубической решетке с нормально ABCABC может локально иметь последовательность ABACAB. Такие дефекты упаковки могут возникать, когда дислокация расщепляется на две меньшие дислокации.

Рисунок: Ошибки укладки

Ошибки укладки — это локальные отклонения от фактической последовательности укладки решетчатой ​​структуры!

Массовые дефекты

Объемные дефекты также называются трехмерными дефектами и мешают структуре решетки в большей степени, чем плоские дефекты: накопление химических соединений (фаз) в металле. Помимо выделений, к трехмерным дефектам относятся поры или другие включения.

Рисунок: Осаждение

Что такое кристаллографические дефекты – определение

Кристаллографические дефекты. Несовершенства металлов. Кристаллографические дефекты существенно влияют на свойства материала. Классификация кристаллических несовершенств (микродефектов) часто проводится по геометрии или размерности дефекта.

Как было написано , , кристаллический материал — это такой материал, в котором атомы расположены в повторяющемся или периодическом порядке на больших атомных расстояниях, т. е. существует дальний порядок, так что при затвердевании атомы располагаются в повторяющийся трехмерный узор, в котором каждый атом связан со своим ближайшим соседним атомом. Но реальность другая, настоящие кристаллы никогда не бывают идеальными . Всегда есть дефекты. Влияние этих дефектов не всегда неблагоприятно, и часто конкретные характеристики формируются преднамеренно путем введения контролируемых количеств или номеров конкретных дефектов.

Классификация дефектов

Классификация кристаллографических дефектов ( микроскопических дефектов ) часто производится в соответствии с геометрией или размерностью дефекта. Во всех твердых материалах существуют и другие макроскопические дефекты, которые значительно крупнее микроскопических, к ним относятся поры, трещины, инородные включения и другие фазы.

• Микроскопические дефекты
  • Точечные дефекты. Точечные дефекты имеют атомарные размеры.
  • Дефекты линии. Линейчатые дефекты или дислокации обычно имеют длину в несколько атомов.
  • Плоские дефекты . Плоские дефекты крупнее линейных дефектов и возникают в двухмерной области.
• Макроскопические дефекты
  • Массовые дефекты . Трехмерные макроскопические или объемные дефекты, такие как поры, трещины или включения.
  • Пустоты . Небольшие области, в которых нет атомов и которые можно рассматривать как скопления вакансий.
  • Примеси , которые могут группироваться вместе, образуя небольшие области другой фазы. Их часто называют преципитатами.

Точечные дефекты

Точечные дефекты имеют атомарные размеры, поэтому они возникают только в одной точке решетки или вокруг нее. Они не простираются в пространстве ни в каком измерении. Точечные дефекты в кристаллах можно разделить на три основные категории дефектов.

• Дефекты вакансий . Вакансионные дефекты возникают из-за отсутствия атома в позиции решетки. Стабильность окружающей кристаллической структуры гарантирует, что соседние атомы не будут просто коллапсировать вокруг вакансии. Дефект вакансионного типа может возникать из-за несовершенной упаковки в процессе кристаллизации или из-за повышенных тепловых колебаний атомов, вызванных повышенной температурой. Все кристаллические тела содержат вакансии, и практически невозможно создать материал, свободный от этих дефектов. Вакансию (или пару вакансий в ионном твердом теле) иногда называют Дефект Шоттки . Этот точечный дефект образуется, когда противоположно заряженные ионы покидают свои узлы решетки, создавая вакансии. Эти вакансии образуются в стехиометрических единицах, чтобы поддерживать общий нейтральный заряд в ионном твердом теле.
• Замещающие дефекты . Из-за фундаментальных ограничений методов очистки материалов материалы никогда не бывают чистыми на 100%, что по определению вызывает дефекты в кристаллической структуре. Дефекты замещения возникают из-за примеси, присутствующей в положении решетки. Для замещающего типа атомы растворенного вещества или примеси заменяют или замещают атомы-хозяева. Несколько особенностей атомов растворенного вещества и растворителя определяют степень, в которой первый растворяется во втором. Они выражаются как Правила Юма-Розери . Согласно этим правилам твердые растворы замещения могут образовываться, если растворенное вещество и растворитель имеют:
  • Сходные атомные радиусы (разница не более 15 %)
  • Та же кристаллическая структура
  • Аналогичные электроотрицательности
  • Твердый раствор с аналогичной валентностью смешивается с другими с образованием нового раствора
• Промежуточные дефекты . Междоузельные дефекты возникают из-за примеси, расположенной в междоузлии, или из-за того, что один из атомов решетки находится в междоузельном положении, а не в его положении в решетке. Собственный межузельный атом — это атом из кристалла, который скопился в междоузельном узле. В металлах собственное междоузлие вносит относительно большие искажения и напряжения в окружающую решетку, потому что атом значительно больше, чем междоузельное положение, в котором он находится. Междоузельные дефекты, как правило, представляют собой высокоэнергетические конфигурации, с другой стороны, вероятность образования этого дефекта невелика. Мелкие атомы (в основном примеси) в некоторых кристаллах могут занимать междоузлия без большой энергии, например водород.
• Дефекты Френкеля. Дефект Френкеля или пара Френкеля представляет собой близлежащую пару вакансии и межузельного дефекта. Это происходит, когда ион перемещается в междоузлие и создает вакансию. Их основной механизм генерации — облучение частицами. Дефекты Френкеля типичны для радиационных повреждений, вызванных нейтронами высокой энергии. Нейтрон с энергией 1 МэВ может воздействовать примерно на 5000 атомов. Наличие множества пиков смещения изменяет свойства облучаемого материала. Всплеск смещения содержит большое количество междоузлий и вакансий в решетке.

Твердый раствор

На рисунке представлена ​​фазовая диаграмма железо–карбид железа (Fe–Fe3C). Процент присутствующего углерода и температура определяют фазу сплава железа с углеродом и, следовательно, его физические характеристики и механические свойства. Процентное содержание углерода определяет тип ферросплава: железо, сталь или чугун. Источник: wikipedia.org Лэппле, Фолькер – Wärmebehandlung des Stahls Grundlagen. Лицензия: CC BY-SA 4.0

A твердый раствор представляет собой однородную смесь двух кристаллических твердых тел, имеющих общую кристаллическую решетку. Твердые растворы  часто состоят из двух или более типов атомов или молекул, имеющих общую кристаллическую решетку, как в некоторых металлических сплавах. Растворитель – это элемент или соединение, присутствующее в наибольшем количестве. Растворенное вещество используется для обозначения элемента или соединения, присутствующего в незначительной концентрации. Растворенное вещество может включаться в кристаллическую решетку растворителя замещающим образом, замещая частицу растворителя в решетке, или интерстициально, помещаясь в пространство между частицами растворителя. Оба этих типа твердых растворов влияют на свойства материала, искажая кристаллическую решетку и нарушая физическую и электрическую однородность материала-растворителя.

Для замещающего типа атомы растворенного вещества или примеси замещают или замещают атомы-хозяева. Несколько особенностей атомов растворенного вещества и растворителя определяют степень, в которой первый растворяется во втором. Они выражаются в виде правил Юма-Розери. В соответствии с этими правилами твердые растворы замещения могут образовываться, если растворенное вещество и растворитель имеют:

• одинаковые атомные радиусы (разница 15% или менее)
• Та же кристаллическая структура
• Аналогичные электроотрицательности
• Твердый раствор с аналогичной валентностью смешивается с другими с образованием нового раствора

Твердые растворы имеют важное коммерческое и промышленное применение, поскольку такие смеси часто имеют лучшие свойства, чем чистые материалы. Многие сплавы металлов представляют собой твердые растворы. Даже небольшое количество растворенного вещества может повлиять на электрические и физические свойства растворителя.

Легирование является обычной практикой, поскольку металлические связки позволяют соединять различные типы металлов. Например, аустенитные нержавеющие стали, в том числе нержавеющая сталь типа 304 (содержащая 18–20 % хрома и 8–10,5 % никеля), имеют гранецентрированную кубическую структуру атомов железа с углеродом в твердый раствор внедрения .

Линейные дефекты – дислокации

Линейные дефекты обычно имеют длину в несколько атомов. Линейные дефекты называются дислокациями и встречаются только в кристаллических материалах. Дислокации особенно важны в материаловедении, поскольку они помогают определить механическую прочность материалов. Существует два основных типа дислокаций: краевая дислокация и винтовая дислокация 9.0260 . Также распространены смешанные вывихи, сочетающие аспекты обоих типов. Важно отметить, что дислокации не могут заканчиваться внутри кристалла. Они должны заканчиваться на краю кристалла или другом дислокации, или же они должны замкнуться сами на себя.

Ранние исследования материалов привели к расчету теоретической прочности идеальных кристаллов. Но эти теоретические силы были во много раз больше, чем реально измеренные. В 1930-х годах было высказано предположение, что это несоответствие в механической прочности может быть объяснено типом линейного кристаллического дефекта, который стал известен как дислокация . Термин «дислокация», относящийся к дефекту атомного масштаба, был введен Г. И. Тейлором в 1934 г.

Краевая дислокация

Источник: Министерство энергетики США, материаловедение. DOE Fundamentals Handbook, Volume 1 and 2. January 1993.

Краевая дислокация центрируется вокруг линии краевой дислокации, которая проходит вдоль конца дополнительной полуплоскости атомов. Несовершенство может проходить по прямой линии через весь кристалл или идти по неправильной траектории. Он также может быть коротким, простираясь лишь на небольшое расстояние вглубь кристалла, вызывая скольжение на одно атомное расстояние вдоль плоскости скольжения (направление движения краевого дефекта). Макроскопическая пластическая деформация просто соответствует остаточной деформации, возникающей в результате движение дислокаций или скольжение в ответ на приложенное напряжение сдвига. Дислокации могут двигаться, если атомы одной из окружающих плоскостей разрывают свои связи и воссоединяются с атомами на концевой кромке. Понимание движения дислокации является ключом к пониманию того, почему дислокации допускают деформацию при гораздо меньших напряжениях, чем в идеальном кристалле. Движение дислокации аналогично движению гусеницы. Гусенице пришлось бы приложить большую силу, чтобы сдвинуть все тело сразу. Вместо этого он немного перемещает заднюю часть своего тела вперед и образует горб. Затем горб смещается вперед и, в конечном итоге, немного смещает все тело вперед. Скольжение происходит, когда кристалл подвергается напряжению, и дислокация движется через кристалл до тех пор, пока не достигнет края или не будет задержана другой дислокацией.

Винтовая дислокация

Источник: Министерство энергетики США, материаловедение. DOE Fundamentals Handbook, Volume 1 and 2. January 1993.

Винтовые дислокации могут быть вызваны разрывом кристалла параллельно направлению скольжения. Если проследить за винтовой дислокацией по всей цепи, она покажет схему скольжения, подобную той, что имеет винтовая резьба. Вывих винта визуализировать намного сложнее. Представьте себе разрезание кристалла по плоскости и скольжение одной половины по другой по вектору решетки, при этом половинки соединяются вместе, не оставляя дефекта. Движение винтовой дислокации также является результатом напряжения сдвига, но движение линии дефекта происходит перпендикулярно направлению напряжения и смещения атомов, а не параллельно.

Рисунок может быть как левым, так и правым. Это требует, чтобы некоторые из атомных связей постоянно переформировывались, так что кристалл после разрушения имел почти ту же форму, что и раньше.

Источник: Уильям Д. Каллистер, Дэвид Г. Ретвиш. Материаловедение и инженерия: введение, 9-е издание, Wiley; 9 издание (4 декабря 2013 г.), ISBN-13: 978-1118324578.

Плоские дефекты – межфазные дефекты

Плоский дефект представляет собой нарушение идеальной кристаллической структуры в плоскости. Межфазные дефекты представляют собой границы, которые имеют два измерения и обычно являются отдельными областями материалов, которые имеют различную кристаллическую структуру и/или кристаллографическую ориентацию. Межфазные дефекты существуют под углом между любыми двумя гранями кристалла или кристаллической формы. Эти дефекты обнаруживаются на свободных поверхностях, границах доменов, границах зерен или межфазных границах.

Границы зерен

Зерна и границы Источник: Министерство энергетики США, материаловедение. Справочник по основам Министерства энергетики США, том 1 и 2. Январь 1993 г.

Граница зерен представляет собой общий плоский дефект, который разделяет области различной кристаллической ориентации (т. е. зерен ) внутри поликристаллического твердого тела. До сих пор речь шла о дефектах монокристаллов. Однако твердые тела обычно состоят из ряда кристаллитов или зерен разного размера и ориентации. Они имеют случайную кристаллографическую ориентацию. Когда металл начинает кристаллизоваться, фазовый переход начинается с мелких кристаллов, которые растут до тех пор, пока не сливаются, образуя поликристаллическую структуру. В последнем блоке твердого материала каждый из маленьких кристаллов (называемых « зерен «) является истинным кристаллом с периодическим расположением атомов, но весь поликристалл не имеет периодического расположения атомов, поскольку на границах зерен периодическая картина нарушается . Зерна и границы зерен помогают определить свойства материала. Зерна могут иметь размер от нанометров до миллиметров в поперечнике, и их ориентация обычно повернута по отношению к соседним зернам. Место, где заканчивается одно зерно и начинается другое, называется границей зерна. Границы зерен ограничивают длины и движения дислокаций. Следовательно, имея мелкие зерна (большая площадь поверхности границы зерен) упрочняет материал . Размер зерен можно регулировать скоростью охлаждения при литье или термообработке материала. Как правило, быстрое охлаждение дает более мелкие зерна, тогда как медленное охлаждение приводит к более крупным зернам.

• Зерна, также известные как кристаллиты, представляют собой маленькие или даже микроскопические кристаллы, которые образуются, например, при охлаждении многих материалов (кристаллизация). Очень важной характеристикой металла является средний размер зерна. Размер зерна определяет свойства металла. Например, меньший размер зерна увеличивает прочность на растяжение и имеет тенденцию к увеличению пластичности. Более крупный размер зерна предпочтителен для улучшения характеристик ползучести при высоких температурах. Ползучесть – это постоянная деформация, увеличивающаяся со временем при постоянной нагрузке или напряжении. Ползучесть становится все легче с повышением температуры.
• Границы зерен. Граница зерна относится к внешней области зерна, которая отделяет его от других зерен. Границы зерен разделяют разноориентированные области кристаллов (поликристаллические), в которых кристаллическая структура идентична. Границы зерен представляют собой двумерные дефекты в кристаллической структуре и имеют тенденцию к снижению электро- и теплопроводности материала. Большинство границ зерен являются предпочтительными местами для начала коррозии и выделения новых фаз из твердого тела. Они также важны для многих механизмов ползучести. С другой стороны, границы зерен нарушают движение дислокаций в материале. Распространение дислокаций затруднено из-за поля напряжений в области дефекта границы зерна и отсутствия плоскостей скольжения и направлений скольжения, а также общего выравнивания по границам. Следовательно, уменьшение размера кристаллитов является распространенным способом повышения механической прочности, поскольку более мелкие зерна создают больше препятствий на единицу площади плоскости скольжения.

Двойникование – Двойниковые границы

Двойниковый кристалл пирита

Двойникование представляет собой нечто среднее между кристаллографическим дефектом и границей зерна. Подобно границе зерен, граница двойников имеет разные ориентации кристаллов с двух сторон. Но в отличие от границы зерна, ориентации не случайны, а связаны определенным образом, зеркально. Двойниковая граница возникает, когда кристаллы по обе стороны от плоскости являются зеркальными отражениями друг друга.

Границей между сдвоенными кристаллами будет единая плоскость атомов. Область беспорядка отсутствует, и граничные атомы можно рассматривать как принадлежащие кристаллическим структурам обоих двойников.

Существует три способа образования сдвоенных кристаллов. Двойники образуются либо в процессе кристаллизации, либо в результате механической или термической работы. Выращенные двойники являются результатом разрыва или изменения решетки во время образования или роста из-за возможной деформации от более крупного замещающего иона. Двойники отжига или превращения являются результатом изменения кристаллической системы при охлаждении, когда одна форма становится нестабильной, и кристаллическая структура должна реорганизоваться или трансформироваться в другую, более стабильную форму. Деформация или скользящие двойники являются результатом нагрузки на кристалл после того, как он сформировался.

Объемные дефекты – объемные дефекты

Трехмерные макроскопические дефекты называются объемными дефектами . Обычно они встречаются в гораздо большем масштабе, чем микроскопические дефекты. Эти макроскопические дефекты обычно вносятся в материал во время очистки от его исходного состояния или в процессе изготовления. К ним относятся трещины, поры, посторонние включения и другие фазы . Обработка и ковка металлов могут вызывать трещины, которые действуют как концентраторы напряжений и ослабляют материал. Любые дефекты сварки или соединения также могут быть классифицированы как объемные дефекты.

• Трехмерные макроскопические или объемные дефекты, такие как поры, трещины или включения.
• Пустоты — небольшие области, в которых нет атомов и которые можно рассматривать как скопления вакансий.
• Примеси могут группироваться вместе, образуя небольшие области другой фазы. Их часто называют преципитатами.

Ссылки:

Материаловедение:

1. Министерство энергетики США, материаловедение. Справочник по основам Министерства энергетики, том 1 и 2, 19 января.93.
2. Министерство энергетики США, материаловедение. Справочник по основам Министерства энергетики, том 2 и 2. Январь 1993 г.
3. Уильям Д. Каллистер, Дэвид Г. Ретвиш. Материаловедение и инженерия: введение, 9-е издание, Wiley; 9 издание (4 декабря 2013 г. ), ISBN-13: 978-1118324578.
4. Эберхарт, Марк (2003). Почему все ломается: понимание мира по тому, как он разваливается. Гармония. ISBN 978-1-4000-4760-4.
5. Гаскелл, Дэвид Р. (1995). Введение в термодинамику материалов (4-е изд.). Издательство Тейлор и Фрэнсис. ISBN 978-1-56032-992-3.
6. Гонсалес-Виньяс, В. и Манчини, Х.Л. (2004). Введение в материаловедение. Издательство Принстонского университета. ISBN 978-0-691-07097-1.
7. Эшби, Майкл; Хью Шерклифф; Дэвид Себон (2007). Материалы: инженерия, наука, обработка и дизайн (1-е изд.). Баттерворт-Хайнеманн. ISBN 978-0-7506-8391-3.
8. Дж. Р. Ламарш, А. Дж. Баратта, Введение в ядерную технику, 3-е изд., Prentice-Hall, 2001, ISBN: 0-201-82498-1.

См. выше:

Материаловедение

Мы надеемся, что эта статья Кристаллографические дефекты поможет вам. Если это так, дайте нам лайк на боковой панели. Основная цель этого веб-сайта — помочь общественности узнать интересную и важную информацию о материалах и их свойствах.

20. Линейные, интерфейсные и массовые дефекты | Введение в химию твердого тела | Материаловедение и инженерия

« Предыдущий | Следующий »

Обзор сеанса

Модуль	Кристаллические материалы
Концепции	дефекты в кристаллах: линейчатые дефекты, межфазные дефекты, границы зерен и пустоты, движение дислокаций, влияние примесей на свойства твердотельного материала
Ключевые слова	предел текучести, деформация, касательное напряжение, линейный дефект, поверхностная энергия, краевая дислокация, винтовая дислокация, движение дислокации, катализ, коррозия, граница зерен, отжиг, вакансия, монокристалл, поликристалл, дисперсионное упрочнение, пластичность, скольжение, пустоты, растворение упрочнение, упругая деформация, пластическая деформация, металлургия, металлургия, закон Гука, разрушение, плотноупаковка, скольжение дислокаций, ударная вязкость, твердость, хрупкость
Химические вещества	сталь, алюминиево-медный сплав (Al-Cu), кремнезем (SiO 2 ), кальций (CaO), оксид алюминия (Al 2 O 3 )
Приложения	алюминиевая банка, производство стали, алюминий-медь для самолетов, заклепки на Титанике

Предпосылки

Перед началом этого сеанса вы должны ознакомиться с:

• Кубические кристаллические структуры ( Сессия 15 )
• Кристаллические направления, плоскости и индексы Миллера ( Сессия 16 )
• Структура краевых дислокаций ( Сессия 19 )

Взгляд в будущее

Количество и состав выделений в сплавах можно предсказать с помощью бинарных фазовых диаграмм, как описано в Сессия 34 а также Сессия 35 . Точечные дефекты и границы зерен дают атомам пространство для движения через решетку, что является ключевым фактором Сессия 24: Распространение .

Цели обучения

После завершения этого сеанса вы сможете:

• Учитывая напряжение в кристалле, определите плоскостей скольжения .
• Нарисуйте движение дислокаций через решетку и объясните, как это движение способствует пластической деформации и деформационному упрочнению .
• Учитывая конкретный материал, рассмотрите его историю обработки и применение, и определите, какие дефекты могут присутствовать и как они влияют на интересующие свойства.

Чтение

Архивные конспекты лекций № 6 (PDF) , Разделы 3-4

Главы книги	Темы
[Сейлор] 12.4, «Дефекты в кристаллах».	Дефекты металлов, металл памяти, дефекты ионных и молекулярных кристаллов, нестехиометрические соединения
[JS] 4. 3, «Линейные дефекты или дислокации — одномерные несовершенства».	Вектор бургеров; краевые, винтовые, смешанные и частичные дислокации
[JS] 4.4, «Плоские дефекты — двумерные дефекты».	Двойниковые границы, поверхности кристаллов и границы зерен; границы наклона, совпадающие решетки узлов и дислокации; номер зернистости

Видео-лекция

Посмотреть видео страницу

chevron_right

Ресурсы

Слайды лекций (PDF)

Резюме лекции

Экспериментальные значения для предел текучести металлов составляет примерно 1/10 ^-го значения, полученного в результате теоретических расчетов, основанных на разрыве целых плоскостей атомных связей. Расхождение объясняется дислокациями , введенными в конце последнего сеанса, что позволяет плоскостям скольжения последовательно разрывать одинарные связи, снижая предел текучести . Двумерные дефекты могут возникать на поверхности кристаллов или на внутренних границах между зонами с разным расположением решетки, называемых границы зерен . Макроскопические скопления вакансий ( пустот ) ослабляют металлы, а скопления примесей ( выделений ) могут их ослаблять или упрочнять. Повреждение заклепок на корпусе Titanic объясняется наличием в стали хрупких карманов шлака, примешанных к стали, на основании исследования микроструктуры .

Домашнее задание

Проблемы (PDF)

Решения (PDF)

Проблемы с учебниками

[Сейлор] Разделы	Концептуальный	Числовой
[Сейлор] 12.4, «Дефекты в кристаллах».	2, 3, 4, 5	никто

Для дальнейшего изучения

Халл, Дерек и Дэвид Дж. Бэкон. Введение в дислокации . Бостон, Массачусетс: Баттерворт-Хайнеманн, 2001. ISBN: 9780750646819.

человек

Эгон Орован

Джеффри Ингрэм Тейлор

Роберт Гук

Тим Фокке

Культура

Стекло, Филип. Кояанискаци . Музыка Оранжевой горы, 2009.

Хорнер, Джеймс и Уилл Дженнингс. «Мое сердце будет продолжаться (тема из Титаник )». Титаник: Музыка из кинофильма . Исполняет Селин Дион. Колумбия отчеты, 1997.

Другой контент OCW и OER

Содержание	Провайдер	Уровень	Заметки
Введение в дислокации	ДОИТПОМС	Бакалавриат
3.14/3.40J/22.71J Физическая металлургия	MIT OpenCourseWare	Бакалавриат (факультативный) / Выпускник
Кристальная структура	Связи	Бакалавриат

« Предыдущий | Следующий »

дефектов (дефектов) в кристаллах | Металлургия

РЕКЛАМА:

Совершенно правильные кристаллические структуры, которые рассматривались до сих пор, называются идеальными кристаллами, в которых атомы расположены регулярным образом. Однако в настоящих кристаллах всегда присутствуют несовершенства или дефекты, и их природа и влияние очень важны для понимания свойств кристаллов. Эти недостатки в значительной степени влияют на свойства кристаллов, такие как механическая прочность, химические реакции, электрические свойства и т. Д.

Несовершенства встречаются во всех кристаллах, если только не используются специальные средства для уменьшения их до низкого уровня.

Кристаллографические дефекты классифицируются следующим образом:

РЕКЛАМА:

1. Точечные дефекты или дефекты нулевого размера:

(i) Вакансия

(ii) Дефекты Шоттки

(iii) Промежуточное объявление

РЕКЛАМА:

(iv) Дефект Френкеля

(v) Композиционные дефекты

(а) Замещающая примесь.

(b) Примесь внедрения.

РЕКЛАМА:

(vi) Электронные дефекты.

2. Линейные дефекты или одномерные дефекты:

(i) Краевая дислокация.

(ii) Вывих винта.

РЕКЛАМА:

3. Дефекты поверхности или плоские дефекты или двумерные дефекты:

(i) Границы зерен.

(ii) Границы наклона.

(iii) Двойные границы.

РЕКЛАМА:

(iv) Ошибка штабелирования.

4. Объемные или трехмерные дефекты.

1. Точечные дефекты :

Точечные дефекты представляют собой несовершенные точечные области в кристалле. Типичный размер точечного дефекта составляет один или два атомных диаметра.

Эти дефекты носят полностью локальный характер, например, вакантный узел решетки.

Точечные несовершенства всегда присутствуют в кристаллах и их наличие приводит к уменьшению свободной энергии.

Точечные дефекты могут быть созданы следующим образом:

(i) Тепловые колебания

(ii) Путем закалки (быстрого охлаждения) от более высокой температуры.

(iii) путем сильной деформации кристаллической решетки; например, ударом молотка или прокаткой. Хотя решетка все еще сохраняет свой общий кристаллический характер, вводятся многочисленные детекты.

(iv) Путем внешней бомбардировки атомами или высокоэнергетическими частицами; например, от луча циклотрона или нейтронов в ядерном реакторе. Первая частица сталкивается с атомами решетки и смещает их, образуя детект. Полученное таким образом число не зависит от температуры, а зависит только от природы кристалла и бомбардирующих частиц.

Ниже описаны различные точечные дефекты:

1. Вакансия:

Вакансия — это простейший точечный дефект, связанный с отсутствующим атомом в металле. Эти дефекты могут появиться в результате несовершенной упаковки во время исходной кристаллизации. Они также могут возникать из-за тепловых колебаний атомов при высоких температурах.

2. Дефекты Шоттки:

Они тесно связаны с вакансиями, но встречаются в соединениях, которые должны поддерживать баланс заряда. В них задействованы вакансии пары ионов противоположных зарядов. Этот тип преобладает в галогенидах щелочных металлов.

3. Межстраничное объявление:

Это добавление дополнительного атома в кристаллическую структуру, особенно если коэффициент упаковки атомов низкий. Это приводит к атомным искажениям. Посторонний атом может образовывать дополнительный легирующий агент или просто примесь. Таким образом, вакансия и межузельность — противоположные явления.

4. Дефект Френкеля:

Ион, смещенный из решетки в междоузлие, называется дефектом Френкеля. Междоузлий и дефектов Френкеля меньше, чем вакансий и дефектов Шоттки, потому что требуется дополнительная энергия, чтобы заставить атом занять новое положение.

Структуры с плотной упаковкой имеют меньше межузельных атомов и дефектов Френкеля, чем вакансий и дефектов Шоттки, поскольку требуется дополнительная энергия, чтобы заставить атомы занять новые позиции.

Когда ионный кристалл не соответствует точной стехиометрической формуле, образуются дефектные структуры. Такие дефектные структуры имеют заметную концентрацию точечных дефектов.

Наличие точечного дефекта вносит искажения в кристаллы. Если несовершенство представляет собой вакансию, связи, которые отсутствующий атом мог бы образовать со своими соседями, не существует. В случае примесного атома в результате разности размеров возникают упругие деформации в области кристалла, непосредственно окружающей примесный атом.

Упругие деформации присутствуют независимо от того, больше или меньше примесный атом, чем родительский атом. Крупный атом создает вокруг себя сжимающие напряжения и соответствующие деформации, а меньший атом создает поле растягивающих напряжений-деформаций. Точно так же межузельный атом создает напряжения вокруг пустоты, которую он занимает.

Все эти факторы имеют тенденцию увеличивать энтальпию или потенциальную энергию кристалла. Работа, которую необходимо совершить для создания точечного дефекта, называется энтальпией образования (∆ H _f ) точечного дефекта. Он выражается в кДж/моль или эВ/точка несовершенства.

Энтальпия образования вакансий в нескольких кристаллах указана ниже:

Благодаря тому, что точечное несовершенство отличимо от родительского атома, конфигурационная энтропия кристалла увеличивается от нуля для совершенного кристалла до положительных значений с увеличением концентрации точечного несовершенства.

Было замечено, что точечные несовершенства различных типов могут взаимодействовать друг с другом и снижать общую энергию. Например, атом растворенного вещества, который больше родительского атома, может иметь меньшую энергию искажения, если он остается близко к вакансии. Это уменьшение энергии называется энергией связи между двумя точечными несовершенствами. Обычно она находится в диапазоне 10-20 процентов от энтальпии образования несовершенств.

5. Композиционные дефекты:

Эти дефекты возникают из-за примесного атома во время исходной кристаллизации. Атомы примесей, рассматриваемые как дефекты в идеальной решетке, ответственны за работу большинства полупроводниковых приборов. Они встречаются в точке решетки как примесь замещения или как примесь внедрения, и образующаяся фаза представляет собой известный твердый раствор.

Примесь замещения создается, когда чужеродный атом замещает родительский атом в решетке. В латуни цинк является замещающим атомом в решетке меди.

Примесь внедрения представляет собой атом небольшого размера, занимающий промежутки или пространство между регулярно расположенными атомами. В стали атомы углерода занимают междоузельное положение в решетке железа.

6. Электронные дефекты:

Электронные детекты — ошибки в распределении заряда в твердых телах.

Так называемые электронные несовершенства в первую очередь необходимы для объяснения электропроводности и связанных с ней явлений в твердых телах. Важным примером этого является создание положительных и отрицательных носителей заряда. Этот эффект отвечает за работу p-n переходов и транзисторов.

2. Линейные дефекты (дислокации):

Линейное нарушение расположения атомов, которое может очень легко перемещаться по плоскости скольжения через кристалл, известно как дислокация. Дислокации могут возникать при росте кристаллов из расплава или из пара, а могут возникать при скольжении.

Линейчатые дефекты, как следует из названия, тянутся вдоль некоторого направления в идеальном в остальном кристалле. Таким образом, один такой дефект можно рассматривать как границу между двумя областями поверхности, которые сами по себе совершенны, но не совпадают друг с другом.

В случае кристаллов возникает, когда одна часть кристалла смещается или проскальзывает относительно остальной части кристалла, так что смещение прекращается внутри кристалла. Однако, если смещение не прекращается внутри кристалла, а вместо этого продолжается по всему кристаллу, оно может не внести в кристалл никакого дефекта.

Этот дефект создается вдоль линии, которая также является границей между соскользнувшей и несоскользнувшей областями кристалла. Дефект обычно называют «дислокацией», а границу — «линией дислокации».

Два основных типа вывихов:

1. Краевая дислокация (или дислокация Тейлора-Орована).

2. Винтовой вывих (или вывих Бюргера).

Обычно это два крайних типа вывихов. Любая конкретная дислокация обычно представляет собой смесь этих двух крайних типов. Их можно рассматривать как компоненты общей дислокации.

1. Краевые дислокации:

См. рис. 3.13 [(a), (b)].

Краевая дислокация может быть описана как дополнительная плоскость атомов внутри кристаллической структуры. Он сопровождается зонами сжатия и растяжения, так что вдоль дислокации происходит чистое увеличение энергии.

Расстояние смещения атомов вокруг дислокации называется «вектором Бюргера». Этот вектор находится под прямым углом к ​​краевой дислокации.

Вектор Бюргера (б) определяется путем рисования прямоугольника в исследуемой области путем соединения равного числа атомов с противоположных сторон, как показано на рис. 3.13. Если в какой-то области есть краевая дислокация, цепь не замкнется. Пунктирная линия PP’ на рис. 3.13 — это вектор Бюргера.

Краевые дислокации представлены символами ⊥ и T, обозначающими вставку дополнительной плоскости с верхней и нижней стороны кристалла соответственно. Эти две конфигурации называются положительными и отрицательными краевыми дислокациями. Эти символы также указывают на положение линии дислокации.

На рис. 3.13 (в) показан вид атома в краевой дислокации.

2. Вывих винта:

См. рис. 3.14. [(а), (б)]

Винтовая дислокация может возникнуть в результате частичного скольжения участка кристаллической плоскости.

В этом типе дислокации касательные напряжения связаны с соседними атомами, и вдоль дислокации задействована дополнительная энергия. Последовательные атомные плоскости превращаются в поверхность спирали винта этой дислокацией, что объясняет ее название как винтовая дислокация.

Винтовая дислокация имеет смещение вектора Бюргера параллельно линейному дефекту, но есть искажение плоскости.

Когда в кристалле присутствует винтовая дислокация, полных плоскостей атомов, перпендикулярных дислокации, больше не существует. Скорее всего, все атомы лежат на одной поверхности, которая закручивается по спирали от одного конца кристалла к другому с линией дислокации в качестве оси спирали.

Смещение атома из исходного положения в идеальном кристалле описывается уравнением:

 

Где, r = смещение вдоль линии дислокации, и

θ = угол, измеренный от некоторой оси, перпендикулярной линии дислокации.

Можно отметить, что при увеличении θ на 2π смещение увеличивается в множителе b; таким образом, b в этом отношении является мерой силы дислокации.

д. Винтовая дислокация не проявляет подъемного движения.

Большое значение имеют следующие последствия винтовой дислокации:

(i) Пластическая деформация возможна при низком напряжении без нарушения сплошности решетки.

(ii) Сила, необходимая для образования и перемещения винтовой дислокации, вероятно, несколько больше, чем сила, необходимая для инициирования краевой дислокации.

(iii) Винтовая дислокация вызывает искривление решетки на значительном расстоянии от центра линии и принимает форму спирального искривления плоскостей. Дислокации обоих типов (сочетания краевых и винтовых) тесно связаны как с кристаллизацией, так и с деформацией.

Здесь можно отметить, что обе дислокации сопровождаются искажением в кристалле, изменяющимся по мере удаления от центра дислокации (наиболее выраженным в непосредственной близости от линии дислокации).

Область вблизи линии дислокации, где искажение чрезвычайно велико, называется «ядром дислокации»; здесь локальная деформация довольно высока. При краевой дислокации локальная деформация состоит из растяжения (с растяжением под краем дислокации и сжатием над ним), тогда как при винтовой дислокации она состоит из сдвига.

3. Дефекты поверхности:

Поверхностные дефекты — это двумерные области в кристалле. Они возникают из-за изменения расположения атомных плоскостей на границе или поперек нее.

Они бывают следующих двух типов:

1. Внешние дефекты.

2. Внутренние обнаружения.

1. Внешние дефекты:

Внешний тип — это как раз то, что подразумевает его название, дефекты или несовершенства, представленные границей. Внешняя поверхность материала сама по себе является несовершенством, потому что атомные связи не выходят за ее пределы. Поверхностные атомы имеют соседей только с одной стороны, тогда как атомы внутри кристалла имеют соседей с обеих сторон. Поскольку эти поверхностные атомы не полностью окружены другими, они обладают более высокой энергией, чем внутренние атомы.

Энергия поверхностного атома для большинства металлов порядка 1 Дж/м ² .

2. Внутренние дефекты:

Эти дефекты обсуждаются ниже:

(i) Границы зерен:

Границы зерен — это дефекты, которые разделяют кристаллы или зерна различной ориентации в поликристаллическом скоплении во время зародышеобразования или кристаллизации.

В таких материалах, как медь, могут быть кристаллы различной ориентации. Эти отдельные кристаллы называются зернами. В одном зерне атомы располагаются с одной ориентацией и одним рисунком. Однако существует переходная зона между двумя соседними зернами, не выровненная ни с одним из зерен.

Как показано на рис. 3.20, возможны различные степени кристаллографического смещения между соседними зернами. Когда это несоответствие ориентации незначительно, порядка нескольких градусов, тогда используется термин граница зерна с малым или малым углом. На границе, где кристаллы или зерна резко изменяются, а разница в ориентации между соседними зернами составляет более 10-15°, границы известны как большеугловые границы зерен.

Несовпадение ориентации соседних зерен приводит к менее эффективной упаковке атомов на границе. Таким образом, атомы вдоль границы имеют более высокую энергию, чем атомы внутри зерен.

Граница между двумя кристаллами, имеющими разное кристаллическое строение или разный состав, называется межфазной границей или границей раздела.

(ii) Граница наклона:

Граница наклона в действительности представляет собой ряд выровненных дислокаций, которые имеют тенденцию закреплять движения дислокаций, обычно способствующие пластической деформации. С этим типом границы связано мало энергии.

Это называется малоугловой границей (рис. 3.21), так как разница в ориентации между двумя соседними кристаллами составляет менее 10°.

Малоугловая граница наклона состоит из краевых дислокаций, лежащих одна над другой в границе.

Угол наклона,

θ = б/д

Где b = величина вектора Бюргера, а

D = среднее вертикальное расстояние между дислокациями.

(iii) Двойные границы:

Двойниковая граница — это особый тип границы зерен, поперек которого существует определенная зеркальная симметрия решетки; то есть атомы по одну сторону границы расположены в зеркальном отображении положений атомов по другую сторону (рис. 3. 22). Область материала между этими границами уместно назвать «близнецом».

Двойники возникают в результате атомных смещений, возникающих в результате приложения механических сил сдвига (механические повороты), а также во время отжига после деформации (двойники отжига).

Двойники отжига обычно обнаруживаются в кристаллах с F.C.C. кристаллической структуры, в то время как механические двойники наблюдаются в B.C.C. и H.C.P. металлы.

Двойникование происходит в определенной кристаллографической плоскости и в определенном направлении, оба из которых зависят от кристаллической структуры.

Двойники соответствуют тем областям, которые имеют относительно прямые и параллельные стороны и иной визуальный контраст, чем нескрученные области зерен, внутри которых они находятся.

(iv) Ошибка штабелирования:

Это несовершенство поверхности, возникающее из-за того, что одна атомная плоскость накладывается не по порядку на другую, в то время как решетка по обе стороны от дефекта идеальна.

Энергетические потребности для производства этих неисправностей очень высоки; измеренные значения при этой энергии равны 19x 10 ^-7 Дж/м ² в меди и от 100 до 200 x 10 ^-7 Дж/м ² в алюминии.

В термодинамическом смысле дефекты поверхности нестабильны. Они присутствуют в виде метастабильных несовершенств. Если увеличить тепловую энергию путем нагревания кристалла до точки плавления, многие дефекты поверхности могут быть устранены.

Площадь границ зерен уменьшается при нагреве поликристаллического материала выше 0,5 Тл _м , где Т _м — температура плавления в К. Крупные кристаллы растут за счет мелких. Несмотря на то, что средний размер кристалла увеличивается во время этого роста зерна, количество кристаллов уменьшается, что приводит к чистому уменьшению площади границ зерна на единицу объема материала.

4. Объемные дефекты или трехмерные дефекты :

Объемные (или объемные) дефекты включают поры, трещины, посторонние включения и другие фазы.

Трещины могут возникать, когда существует лишь небольшое электростатическое различие между последовательностями укладки плотноупакованных плоскостей в металлах.

Большая вакансия или пустота получается, когда кластер атомов отсутствует.

Включения — это определенные области внутри кристалла, занятые какой-либо другой фазой, отличной от фазы кристалла-хозяина. Различные известные включения образуются в основном при кристаллизации.

Объемные или объемные дефекты обычно появляются на этапах обработки и изготовления.

Примечание:

Центр окраски – это дефект решетки, поглощающий видимый свет. Обычно центры окраски можно найти в ионных кристаллах.

Главная ›› Металлургия ›› Кристаллы ›› Дефекты ›› Дефекты в кристаллах

Кристаллические дефекты в кремнии — Страница 1 из 3

Кристаллический Дефекты кремния

Нравиться что-либо еще в этом мире, кристаллы по своей природе обладают несовершенствами, или то, что мы часто называем «кристаллические дефекты». Наличие большинства из этих кристаллических дефектов нежелательно в кремниевых пластин, хотя определенные типы «дефектов» существенны для производство полупроводников. Инженеры полупроводниковой промышленности должен знать, если не знать, о различных типах кремния кристаллические дефекты, так как эти дефекты могут влиять на различные аспекты производство полупроводников — от выхода продукции к продукту надежность.

Кристаллические дефекты могут быть делятся на четыре категории в зависимости от их геометрии. К этим категориям относятся: 1) нульмерные или «точечные» дефекты; 2) одномерный или «линейные» дефекты; 3) двухмерный или дефекты «площади»; и 4) трехмерное или «объемные» дефекты. В таблице 1 представлены часто встречающиеся дефекты в каждом из этих категории.

Таблица 1. Примеры кристаллических дефектов

Тип дефекта	Примеры
Точка или Нульмерные дефекты	Дефекты вакансии Интерстициальные дефекты Дефекты Френкеля Внешние дефекты
Линия или Одномерные дефекты	Прямые вывихи (кромка или винт) Дислокационные петли
Площадь или Двумерные дефекты	Ошибки укладки Близнецы Границы зерен
Объем или Трехмерные дефекты	Осадки Пустоты

Есть много форм кристалла точечные дефекты. Дефект, при котором атом кремния отсутствует в одном из эти сайты известны как ‘вакансия’ дефект. Если атом находится в нерешетчатом узле внутри кристалла, то говорят, что «межстраничное» дефект. Если межузельный дефект включает атом кремния в междоузлии внутри кристалла кремния, то его называют ‘самостоятельный межстраничный’ дефект. Вакансии и дефекты собственного внедрения классифицируются как внутренние точечные дефекты.

Если атом покидает свое место в решетке (тем самым создавая вакансию), а затем перемещается в поверхности кристалла, то он становится ‘Шоттки’ дефект. С другой стороны, атом, освобождающий свое место в решетке и переходит в междоузлие в кристалле известный как ‘Френкель’ дефект. Таким образом, образование дефекта Френкеля приводит к возникновению двух дефектов. внутри решетки — вакансия и межузельный дефект, а образование дефекта Шоттки оставляет только один дефект в решетка, т. е. вакансия. Помимо образования Шоттки и дефекты Френкеля, есть третий механизм, с помощью которого собственная точка может образоваться дефект, т. е. движение поверхностного атома в межстраничный сайт.

Внешний точечные дефекты, которые представляют собой точечные дефекты с участием посторонних атомов, еще более критичны чем собственные точечные дефекты. Когда атом некремния переходит в узел решетки, обычно занимаемый атомом кремния, то он становится ‘замещающий примесь. Если некремниевый атом занимает нерешеточный узел, то его называют в качестве межстраничный примесь. Чужие атомы участвующие в формировании внешних дефектов, обычно исходят от примесей, кислород, углерод и металлы.

Присутствие точечных дефектов имеет важное значение в кинетике диффузии и окисление. Скорость, с которой происходит диффузия примесей, равна зависит от концентрации вакансий. Это верно и для окисление кремния.

Кристаллическая линия дефекты также известны как «вывихи», которую можно классифицировать как одну из следующих: 1) краевая дислокация; 2) винтовой вывих; или 3) смешанная дислокация, которая содержит как краевую, так и компоненты винтовой дислокации.

Ан край вывих может быть описывается как дополнительная плоскость атомов, втиснутых в часть кристалла решетки, в результате чего часть решетки, содержащая дополнительные атомы и остальная часть решетки, содержащая правильное количество атомов. Следовательно, часть с дополнительными атомами будет испытывать сжимающие напряжения, в то время как часть с правильным числом атомов будет находиться под растяжением стрессы. вывих линия краевой дислокации — это линия, соединяющая все атомы в конец дополнительной плоскости.

Рис. 1. Краевая дислокация; обратите внимание на вставку

атомов в верхней части решетки

Если дислокация такова, что ступенька или пандус образуется за счет смещения атомов в плоскости в кристалле, то его называют ‘винт вывих. винт в основном образует границу между проскальзывающим и непроскальзывающим атомов в кристалле. Таким образом, если бы кто-то мог проследить периферию кристалле с винтовой дислокацией конечная точка была бы смещена от начальная точка на одно решеточное пространство. линия дислокации винтовой дислокации является ось винта.

Рис. 2. Винтовой вывих; обратите внимание на винтообразный

«проскальзывание» атомов в верхней части решетки

Если дислокация состоит из дополнительной плоскости атомов (или отсутствующей плоскости атомов), целиком лежащих внутри кристалла, то известна дислокация как «дислокационная петля». дислокационная линия дислокационной петли образует замкнутую кривую, т. обычно круглой формы, так как эта форма приводит к наименьшему энергия дислокации.

Вывихи обычно нежелательны в кремниевых пластинах, потому что они служат поглотителями для металлических примесей, а также нарушают профили диффузии. Однако способность дислокаций поглощать примеси может быть ограничена. Преимущество изготовления пластин. то есть он может быть использован в удаление примесей с пластины, метод, известный как ‘получение.’

Дефекты площади в кристаллах состоят из дефектов упаковки, границ зерен и двойников границы. А укладка вина’ относится к нарушение регулярности укладки плоскостей атомов в кристаллическая решетка. Обычно это происходит, когда плоскость вставляется в или сняты с решетки. Вставка дополнительной плоскости в укладка известна как «внешняя» ошибка укладки, в то время как удаление плоскость называется «внутренней» ошибкой упаковки.

Укладка дефекты могут стать электрически активными при декорировании примесными атомами. Электрически активные ошибки стекирования могут привести к деградации устройства, примерами которых являются более высокие обратные токи смещения в p-n переходах и сокращение времени хранения в МОП-схемах.

Рис. 1. Фото Ошибка штабелирования

Источник изображения: http://lmass.ua.edu

— Дж. А. Гавира-Галлардо, Дж. Д. Нг и М. А. Джордж

А ‘близнец’ представляет собой дефект площади, в котором зеркальное отражение регулярной решетки образующийся при росте слитка кремния, обычно вызванный возмущение. ‘двойная граница’ является зеркальной плоскостью двойниковой формации.

А ‘зерно граница относится к переход или поверхность раздела между кристаллами, расположение атомов которых разной ориентации по отношению друг к другу.

Дефекты объема в кристалле также известны как ‘масса’ дефекты, который включает в себя пустоты а также выпадает в осадок внешних и внутренних точечных дефектов.

Каждый введенная примесь в кристалл имеет определенный уровень растворимость, определяющая концентрация той примеси, что твердый раствор хозяина Кристалл может вместить. Растворимость примесей обычно снижается с понижением температуры.

Если примесь ввести в кристалл максимально концентрация, допускаемая его растворимостью при высокой температуре, кристалл станет перенасыщенный этой примесью как только он остынет вниз. Кристалл в таких пересыщенных условиях ищет и достигает равновесия за счет осаждающий избыточные атомы примеси в другую фазу другого состава или структура.

Осадки считаются нежелательными, поскольку известно, что они действуют как сайты для образования дислокаций. Дислокации возникают как средство снятия напряжения, вызванного напряжением, оказываемым осадками на решетка. Осадки, образующиеся при обработке кремниевых пластин происходят из кислорода, металлических примесей и примесей, таких как бор.

См. также:  Эффекты кристаллического дефекта; Входящий вафли; эпитаксия; поликремний;

Ион Имплантат; получение; Кристалл Рост

ДОМ

Авторские права 2004-настоящее время www.EESemi.com . Все права защищены.

Что такое дефекты в кристаллах?

Этот пост отвечает на вопрос «Что такое дефекты в кристаллах?». Идеальных кристаллов в природе не существует. Каждое твердое соединение имеет некоторое отклонение от идеальной периодической решетки. Эти отклонения называются дефекты или несовершенства твердой конструкции. Их условно можно структурировать как динамические и статические. Динамические дефекты могут возникать при механическом, термическом или магнитном воздействии. Наиболее частым примером динамического дефекта являются фононы – временное искажение кристаллической решетки, вызванное тепловым движением атомов.

Среди статических дефектов можно выделить точечные или атомарные дефекты и линейные дефекты. Атомные дефекты – это вакансии и междоузлия, примеси, интеграция посторонних атомов в кристаллическую решетку. К линейным дефектам относятся дислокации, поры, трещины и границы зерен.

Концентрация несовершенств в твердой структуре может быть небольшой, но их влияние на физические свойства соединения может быть значительным. Например, 1000-я доля процента дефектов в кристалле полупроводника изменяет его проводимость в 10 ³ – 10 ⁴ раза. Линейные дефекты оказывают существенное влияние на механические свойства твердых конструкций.

Прежде чем вводить понятия дефектов, мы должны ввести некоторые основные понятия для материалов. Как было сказано ранее, чистого материала только с одним типом атома не существует. Всегда есть некоторые примеси, которые образуют дефекты в твердом теле. Наиболее частым металлом является сплав. Сплав представляет собой металл, в который были намеренно добавлены примеси для изменения некоторых свойств твердого тела. Твердый раствор – это результат добавления примесей в металл. Растворитель — это элемент, который присутствует в соединении в наибольшем количестве. Solute обозначает элемент в незначительной концентрации в соединении. Твердый раствор — это соединение, которое образуется путем добавления атома растворенного вещества к растворителю без изменения решетки. Твердый раствор однороден, а атомы примеси беспорядочно распределены по всему соединению. Точечные дефекты в твердых растворах бывают двух типов: замещения и внедрения.

Вакансии и собственные междоузлия
Вакансия является простейшей формой дефекта. Все ячейки решетки обычно заняты, но в некоторых местах отсутствуют атомы – эти незанятые места называются вакансиями. Все твердые тела содержат вакансии, и невозможно создать твердое соединение без таких дефектов. Вакансии увеличивают энтропию кристалла. А общее количество вакансий Nv для данного количества материала зависит от температуры по уравнению Больцмана:

Nv=N*exp(–QVKT), где N – общее число атомных позиций, QV – энергия, необходимая для образования вакансии, k – постоянная Больцмана.

Это уравнение означает, что количество вакансий экспоненциально увеличивается с температурой. Собственный межузельный атом — это атом в кристалле, помещенный в междоузлие. Для металлов этот вид дефекта встречается довольно редко, так как размер атома металла намного больше междоузлий, и это вызывает большие деформации кристаллической решетки. Типы вакансий и селф-институалов представлены ниже.

Рис. 2. Вакансия (слева) и собственное междоузлие (справа) в кристаллической решетке

 

Дислокации

Дислокация представляет собой дефект линейного типа, вокруг которого смещены некоторые атомы. Дислокации также могут быть краевыми типа, когда лишняя часть атомов находится на краю кристалла. Поскольку это линейный дефект, его также называют дислокационной линией . Вокруг дислокационной линии всегда происходит искажение решетки. Величина искажения уменьшается по мере удаления от линии дислокации.

Другим типом дислокаций являются винтовые или сдвиговые дислокации. Этот тип дислокации образуется из-за смещения части решетки относительно другой части. Оба типа дислокаций можно увидеть на рисунке 3.

Большинство дислокаций в кристаллическом соединении не являются ни линейными, ни винтовыми. Эти дислокации называются смешанными дислокациями . Каждое твердое соединение имеет дислокации, вызванные механическими напряжениями и термической обработкой.

На рис. 3 показаны дислокации в сплаве.

Рис. 3. Дислокации в кристаллическом сплаве

Внешние поверхности
Внешняя поверхность является наиболее распространенным межфазным дефектом. На этой внешней поверхности соединение заканчивается. Поверхностные атомы не связаны с максимальным числом соседних атомов. Таким образом, энергия этих атомов больше, чем энергия всех остальных атомов. А как известно, каждая система стремится минимизировать свою энергию. И эти внешние атомы также стремятся минимизировать свою энергию.

Границы зерен
Другим примером межфазного дефекта является граница зерен . Это граница между двумя или более зернами в поликристаллическом материале. Имеются некоторые атомные несоответствия в области границы зерен шириной около нескольких атомов. И решетки зерен могут быть разными. Не все атомы на границах связаны неравномерно, это означает, что энергия границы растет. Величина этой энергии зависит от угла разориентации граничных атомов – чем больше угол, тем больше энергия границы. Граничная энергия делает границы зерен более химически реактивными, чем зерна.

Объемные дефекты
Объемные дефекты образуются при производстве компаундов. К объемным дефектам относятся трещины, поры, посторонние включения и другие дефекты. Все они являются результатом производственного процесса. Некоторые из этих дефектов влияют на свойства компаунда даже сильнее, чем описанные в этом модуле. Колебания атомов
Каждый атом совершает твердые колебания вокруг своего положения в решетке. И это атомарное поведение также является дефектом, называемым атомные колебания или вибрации дефекты. Каждый колеблющийся атом имеет разную частоту колебаний, амплитуду и энергию. При данной температуре существует распределение энергий колебаний вокруг средней величины энергии.