Kristályhibák

Kristályhibáknak nevezzük a kristály transzlációs szimmetriájának – a kristályrács ideális  periodicitásának – bármilyen stabil megsértését . A méretek száma szerint, amelyekben a hiba méretei jelentősen meghaladják az atomközi távolságot, a hibákat nulldimenziós (pontos), egydimenziós (lineáris), kétdimenziós ( lapos ) és háromdimenziós ( ömlesztett) hibák [1] .

Nulladimenziós (pont) hibák

A nulldimenziós (vagy pontszerű ) kristályhibák közé tartozik minden olyan hiba, amely egy kis atomcsoport elmozdulásával vagy cseréjével kapcsolatos (belső ponthibák), valamint a szennyeződésekkel. Melegítéskor, doppingoláskor, kristálynövekedéskor és sugárzás hatására keletkeznek . Beültetés eredményeként is bekerülhetnek . Az ilyen hibák tulajdonságait és kialakulásának mechanizmusait a leginkább tanulmányozzák, beleértve a mozgást, a kölcsönhatást, a megsemmisülést és a párolgást .

Több ponthibából álló komplexumok is gyakran megfigyelhetők a kristályokban, például: Frenkel-hiba (üresedés + belső intersticiális atom), divakencia (üresedés + üresedés), A-centrum (vakance + oxigénatom szilíciumban és germániumban) stb.

Ponthibák termodinamikája

A ponthibák növelik a kristály energiáját, mivel az egyes hibák kialakulására bizonyos energiát fordítottak. Az elasztikus deformáció az üresedésképződési energiának nagyon kis hányadát okozza, mivel az ioneltolódások nem haladják meg az 1%-ot, és a megfelelő alakváltozási energia tizedeV . Egy intersticiális atom kialakulása során a szomszédos ionok elmozdulásai elérhetik az atomközi távolság 20%-át, a rács ezeknek megfelelő rugalmas alakváltozási energiája pedig elérheti a több eV-ot is. A ponthiba kialakulására fordított energia nagy része az atomi szerkezet periodicitásának és az atomok közötti kötési erőknek a megsértésével jár. A fém ponthibája kölcsönhatásba lép a teljes elektrongázzal. Egy pozitív ion eltávolítása egy csomópontból egyenértékű egy pontszerű negatív töltés bevezetésével; a vezetési elektronok taszítják ezt a töltést, ami energiájuk növekedését okozza. Az elméleti számítások azt mutatják, hogy az fcc rézrácsban egy üresedés keletkezési energiája körülbelül 1 eV, egy intersticiális atomé pedig 2,5-3,5 eV.

Annak ellenére, hogy a kristály energiája megnövekszik a saját ponthibáinak kialakulása során, ezek termodinamikai egyensúlyban lehetnek a rácsban, mivel kialakulásuk az entrópia növekedéséhez vezet. Magasabb hőmérsékleten a szabad energia TS entrópiatagjának növekedése a ponthibák kialakulása miatt kompenzálja az U kristály összenergiájának növekedését, és a szabad energia minimálisnak bizonyul.

A betöltetlen állások egyensúlyi koncentrációja:

ahol E 0  egy üresedés keletkezési energiája, k a Boltzmann-állandó, T az abszolút hőmérséklet. Ugyanez a képlet érvényes intersticiális atomokra is. A képlet azt mutatja, hogy a betöltetlen állások koncentrációja erősen függ a hőmérséklettől. A számítási képlet egyszerű, de pontos mennyiségi értékeket csak a hibaképződési energia értékének ismeretében kaphatunk. Ezt az értéket nagyon nehéz elméletileg kiszámítani, ezért csak hozzávetőleges becslésekkel kell megelégedni.

Mivel a hibaképződés energiája benne van a kitevőben, ez a különbség óriási különbséget okoz a szabad helyek és az intersticiális atomok koncentrációjában. Így a rézben 1000°C-on a szövetközi atomok koncentrációja mindössze 10-39 , ami 35 nagyságrenddel alacsonyabb, mint a szabad helyek koncentrációja ezen a hőmérsékleten. A legtöbb fémre jellemző szoros csomagolásban nagyon nehezen képződnek intersticiális atomok, és az ilyen kristályokban lévő üresedés a fő ponthiba (nem számítva a szennyező atomokat).

Ponthiba migráció

A mozgásban oszcilláló atomok folyamatosan energiát cserélnek. A hőmozgás véletlenszerűsége miatt az energia egyenetlenül oszlik el a különböző atomok között. Valamikor egy atom akkora energiafelesleget kaphat szomszédaitól, hogy szomszédos pozíciót foglal el a rácsban. Így történik a ponthibák vándorlása (mozgása) a kristályok térfogatában.

Ha az üresedést körülvevő atomok egyike a megüresedett helyre költözik, akkor az üresedés ennek megfelelően a helyére költözik. Egy bizonyos üresedés egymást követő elemi mozgását különböző atomok hajtják végre. Az ábrán látható, hogy a szorosan egymásra rakott golyók (atomok) rétegében ahhoz, hogy az egyik golyót szabad helyre mozdítsa, az 1-es és 2-es golyókat egymástól el kell tolnia minimális, az atomnak megnövekedett állapoton kell áthaladnia potenciális energia, leküzdeni az energiagátat. Ehhez az szükséges, hogy az atom többlet energiát kapjon szomszédaitól, amelyet elveszít, új helyzetbe "préselve". Az Em energiagát magasságát az üresedési vándorlás aktiválási energiájának nevezzük .

A ponthibák forrásai és nyelői

A ponthibák fő forrása és nyelője a lineáris és felületi hibák – lásd alább. A nagy tökéletes egykristályokban a belső ponthibák túltelített szilárd oldatának bomlása lehetséges az ún. mikrohibák.

Ponthibák komplexei

A ponthibák legegyszerűbb halmaza egy divakencia (divacancy): két üresedés a szomszédos rácshelyeken. Egy másik jól ismert komplexum az úgynevezett Frenkel-pár - egy atom a hézagokban és a közeli üresedésben. A fémekben és félvezetőkben fontos szerepet játszanak a két vagy több szennyező atomból álló komplexek, valamint a szennyező atomok és a belső ponthibák. Az ilyen komplexek különösen jelentősen befolyásolhatják a szilárd anyagok szilárdságát, elektromos és optikai tulajdonságait.

Egydimenziós hibák

Az egydimenziós (lineáris) hibák olyan kristályhibák, amelyek mérete az egyik irányban sokkal nagyobb, mint a rácsparaméter, a másik kettőben pedig összehasonlítható vele. A lineáris hibák közé tartoznak a diszlokációk és diszlinációk . Általános meghatározás: a diszlokáció a kristályban lévő nem teljes nyírási terület határa. A diszlokációkat egy nyírási vektor (Burgers vektor) , valamint egy φ szög jellemzi a diszlokációs vonal között. Ha φ=0, a diszlokációt csavardiszlokációnak nevezzük; φ=90°-nál - marginális; más szögeknél összekeverjük, majd spirális és élkomponensekre bontható. A kristálynövekedés folyamatában diszlokációk keletkeznek; plasztikus deformációja során és sok más esetben. Eloszlásuk és viselkedésük külső hatások hatására meghatározza a legfontosabb mechanikai tulajdonságokat, különösen, mint a szilárdság, plaszticitás, valamint az elektromos vezetőképesség stb. A diszklináció a kristályban lévő nem teljes forgási terület határa. Forgatási vektor jellemzi.

Kétdimenziós hibák

Ennek az osztálynak a fő hibája a kristályfelület. Egyéb esetek az anyag szemcsehatárai, beleértve az alacsony szögű határokat (amelyek a diszlokációk asszociációi), az ikersíkokat és a fáziselválasztó felületeket.

3D hibák

Tömeges hibák. Ezek közé tartozik a pórusokat és csatornákat képező üres helyek felhalmozódása; különböző hibákon (díszítés) leülepedő részecskék, például gázbuborékok, anyalúgbuborékok; szennyeződések felhalmozódása szektorok (homokórák) és növekedési zónák formájában. Általában ezek pórusok vagy szennyeződési fázisok zárványai. Sok hiba halmaza. Eredet - a kristálynövekedési rend megsértése, a túltelített szilárd oldat bomlása, a minták szennyeződése. Egyes esetekben (például csapadékos edzés során) szándékosan térfogati hibákat visznek be az anyagba, hogy megváltoztassák annak fizikai tulajdonságait.

Módszerek a hibák megszüntetésére

A fő módszer, amely segít megszabadulni a kristály hibáitól, a zóna olvasztási módszer . Ez a módszer jól alkalmazható szilíciumra. A kristály egy kis részét megolvasztják, hogy ezt követően átkristályosítsák az olvadékot. Szintén csak lágyítást alkalmaznak. Az emelt hőmérsékletű hibák magas diffúziós együtthatóval rendelkeznek . Felszínre kerülhetnek az üresedések, ezért a hibák elpárolgásáról beszélünk.

Hasznos hibák

A fémek plasztikus deformációja során (például kovácsolás , hengerlés ) számos, térben eltérő orientációjú diszlokáció keletkezik, ami megnehezíti a kristály széttörését a diszlokációs hálózat mentén. Így a fém szilárdsága növekszik, ugyanakkor a rugalmassága csökken .

A mesterségesen termesztett rubinokhoz , lézerekhez való zafírokhoz , elemek szennyeződései ( Cr , Fe , Ti ) vannak hozzáadva - színező központok , amelyek részt vesznek a koherens fény létrehozásában.

Lásd még

Jegyzetek

  1. ↑ Orlov A. N. hibák // Fizikai enciklopédia / Ch. szerk. A. M. Prohorov . - M .: Szovjet Enciklopédia , 1988. - T. 1. - S. 595-597. - 704 p. — 100.000 példány.

Irodalom