Слайд 1
Физика твердого тела. Часть 2.
Реальные кристаллы-(так же, как и «реальные пацаны») - это идеальные кристаллы, которые растут не в нужных местах.
Слайд 2
Рост кристаллов Вы знаете, конечно, что вода (при нормальном давлении) замерзает при 0°. Если понижается температура, то точно при 0° вода начнет замерзать, превращаться в кристаллы льда. Пока вся вода не замерзнет, температура ее не будет понижаться дальше. Если, наоборот, нагревать кристалл льда до 0°, он останется неизменным. Как только температура достигнет 0°, кристалл сразу начнет таять. Сколько бы мы ни грели дальше, температура льда не будет повышаться, пока весь лед не растает. Лишь когда весь кристалл, растаяв, превратится в воду (иначе говоря, пока не распадется строй всех частиц), температура воды может начать повышаться. Любое кристаллическое вещество плавится и кристаллизуется при строго определенной температуре плавления: железо - при 1530°, олово - при 232°, кварц - при 1713°, ртуть- при минус 38°. У некристаллических твердых тел нет постоянной температуры плавления (а значит, и температуры кристаллизации), при нагревании они постепенно размягчаются..
Слайд 3
Способы выращивания кристаллов Один из них – охлаждение насыщенного горячего раствора. При каждой температуре в данном количестве растворителя (например, в воде) может раствориться не более определенного количества вещества. Если раствор охлаждать медленно, зародышей образуется немного, и, обрастая постепенно со всех сторон, они превращаются в красивые кристаллики правильной формы. При быстром же охлаждении образуется много зародышей, причем частички из раствора будут «сыпаться» на поверхность растущих кристалликов, как горох из порванного мешка; конечно, правильных кристаллов при этом не получится, потому что находящиеся в растворе частицы могут просто не успеть «устроиться» на поверхности кристалла на положенное им место. Другой метод получения кристаллов – постепенное удаление воды из насыщенного раствора. «Лишнее» вещество при этом кристаллизуется. И в этом случае, чем медленнее испаряется вода, тем лучше получаются кристаллы
Слайд 4
Третий способ – выращивание кристаллов из расплавленных веществ при медленном охлаждении жидкости. При использовании всех способов наилучшие результаты получаются, если используется затравка – небольшой кристалл правильной формы, который помещают в раствор или расплав. Таким способом получают, например, кристаллы рубина. Выращивание кристаллов драгоценных камней проводят очень медленно, иногда годами. Если же ускорить кристаллизацию, то вместо одного кристалла получится масса мелких. Этот способ можно осуществить только в специальных устройствах. В настоящее время более половины технически важных кристаллов выращивают из расплава. Один из наиболее широко используемых промышленных методов получения полупроводниковых и других монокристаллов это метод Чохральского. Разработан в 1918 году. Исходный материал (шихту) загружают в тугоплавкий тигель и нагревают до расплавленного состояния. Затем затравочный кристалл в виде тонкого стержня диаметром в несколько мм устанавливают в охлаждаемый кристаллодержатель и погружают в расплав
Слайд 5
Ян Чохра́льский (1885 - 1953) - польский химик, изобретатель широко известного в настоящее время метода выращивания монокристаллов из расплава путём вытягивания их вверх от свободной поверхности, названного впоследствии его именем. По некоторым сведениям, Чохральский открыл свой знаменитый метод в 1916 году, когда случайно уронил свою ручку в тигель с расплавленным оловом. Вытягивая ручку из тигля, он обнаружил, что вслед за металлическим пером тянется тонкая нить застывшего олова. Заменив перо ручки микроскопическим кусочком металла, Чохральский убедился, что образующаяся таким образом металлическая нить имеет монокристаллическую структуру. В экспериментах, проведённых Чохральским, были получены монокристаллы размером около одного миллиметра в диаметре и до 150 см длиной
Слайд 6
Дефекты кристалла Описывая строение кристаллов, мы до сих пор пользовались их идеальными моделями. Отличие реальных кристаллов от идеальных состоит в том, что реальные кристаллы не обладают правильной кристаллической решеткой. В них всегда встречаются нарушения строгой периодичности в расположении атомов. Эти нарушения называют дефектами в кристаллах. Дефекты образуются в процессе роста кристаллов под влиянием теплового движения молекул, механических воздействий, облучения потоками частиц, из-за наличия примесей и пр. 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.
Слайд 7
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. Дефекты, называемые точечными, возникают при замещении одного из атомов кристаллической решетки атомом примеси (а), внедрения атома между узлами решетки (б) или в результате образования вакансий - отсутствия атома в одном из узлов решетки (в).
Слайд 8
Примеси замещения, заменяя частицы основного вещества в узлах решетки, внедряются в решетку тем легче, чем ближе атомные (ионные) радиусы примесного и основного вещества. Примеси внедрения занимают междоузлия и притом тем легче, чем больше объем пространства между атомами. Внедренными могут быть как собственные, так и примесные атомы или ионы, отличающиеся от основных атомов по размеру или валентности. Если инородный атом оказывается в узле, то это дефект замещения, если в междоузлии, то это атом внедрения. Равновесные положения, которые занимают межузловые атомы, зависят от материала и типа решётки. Соседние атомы в узлах кристаллической решётки несколько смещаются, вызывая небольшую деформацию. Вакансии – являются самой важной разновидностью точечных дефектов; они ускоряют все процессы, связанные с перемещением атомов: диффузия, спекание порошков и т.д. В технически чистых металлах точечные дефекты повышают электросопротивление, а на механические свойства почти не влияют. Лишь при больших концентрациях дефектов в облучённых металлах понижается пластичность и заметно изменяются другие свойства.
Слайд 9
Как могут появляться точечные дефекты? Согласно основным принципам статистической физики, даже в том случае, когда средняя кинетическая энергия атомов очень мала, всегда найдется некоторое количество атомов с большей энергией, достаточной для выхода атома из узла кристаллической решетки. Перемещаясь по кристаллу и отдавая часть своей энергии другим атомам, такой атом может разместиться в междоузлиях. Совокупность атома в междоузлии и вакансии называется дефектом по Френкелю (или парой Френкеля) . Вакансия и междоузельный атом связаны значительными упругими силами.
Дефекты по Френкелю легко возникают в кристаллах, содержащих значительные межатомные пустоты. Примером таких кристаллов могут служить вещества со структурой алмаза или каменной соли.
Слайд 10
Точечные дефекты по Шоттки в основном встречаются в кристаллах с плотной упаковкой, где образование межузельных атомов затруднено или энергетически невыгодно. Некоторые атомы из приповерхностного слоя в результате теплового движения могут выйти из кристалла на поверхность (рис.). Вакансия в освободившемся узле может затем мигрировать в объем кристалла. Образование дефектов по Шоттки уменьшает плотность кристалла, т. к. растет его объем при постоянной массе, тогда как при образовании дефектов Френкеля плотность остается неизменной, поскольку объем всего тела не меняется.
Вальтер Герман Шоттки (1886 - 1976) - знаменитый немецкий физик, в 1915 году изобрёл электронную лампу с экранирующей сеткой и в 1919 тетрод. В 1938 Шоттки сформулировал теорию, предсказывающую эффект Шоттки, сейчас используемый в диодах Шоттки.
Слайд 11
Таким образом, представляя собой далеко не столь совершенную, упорядоченную и в некоторой степени монотонную последовательность чередующихся положительных и отрицательных ионов, реальные кристаллы содержат широкий набор интересных точечных дефектов, которые, как мы увидим, могут сильно влиять на многие их свойства. Это как мы уже говорили, собственные дефекты, концентрация которых зависит от температуры, а кроме того, и несобственные, примесные дефекты, которые либо присутствуют случайно, либо добавлены целенаправленно во время выращивания кристалла. Все эти дефекты можно считать квазичастицами. Подобно реальным частицам в ваккууме, они могут передвигаться и взаимодействуют между собой на дальних расстояниях с образованием более сложных структур.
Слайд 12
Процессы переноса в кристаллах Часто ошибочно полагают, что такие общеизвестные щелочно-галоидные соединения, как хлористый натрий и хлористый калий, являются изоляторами, в действительности же они сравнительно хорошие проводники, это особенно справедливо при повышенных температурах. Факт существования проводимости, а также то, что в ионных твердых телах довольно легко протекают как самодиффузия, так и диффузия примесных ионов, служат неопровержимыми доказательствами присутствия в них точечных дефектов. Многие из этих материалов не имеют электронной проводимости - измерения показывают, что проводимость обусловлена миграцией ионов. Однако без существования вакансий или внедренных атомов движение ионов в таком классическом ионном проводнике невозможно: для этого нужна была бы слишком большая энергия. Благодаря дефектам и их перемещениям (рис.) процесс движения иона превращается в обмен местами иона и дефекта; при этом величина необходимой энергии уменьшается.
Слайд 13
Диффу́зия (лат. diffusio - распространение, растекание, рассеивание, взаимодействие) - процесс взаимного проникновения молекул одного вещества между молекулами другого, приводящий к самопроизвольному выравниванию их концентраций по всему занимаемому объёму. В некоторых ситуациях одно из веществ уже имеет выравненную концентрацию и говорят о диффузии одного вещества в другом. При этом перенос вещества происходит из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией (по градиенту концентрации). В кристаллах диффундировать могут как собственные атомы решетки (самодиффузия или гомодиффузия), так и атомы других химических элементов, растворенных в веществе (примесная или гетеродиффузия), а также точечные дефекты структуры кристалла - междоузельные атомы и вакансии.
Слайд 14
Диффузия представляет собой процесс на молекулярном уровне и определяется случайным характером движения отдельных молекул. Скорость диффузии в связи с этим пропорциональна средней скорости молекул. Если в смеси газов масса одной молекулы в четыре раза больше другой, то такая молекула передвигается в два раза медленнее по сравнению с её движением в чистом газе. Соответственно, скорость диффузии её также ниже. Эта разница в скорости диффузии лёгких и тяжёлых молекул применяется, чтобы разделять субстанции с различными молекулярными весами. В качестве примера можно привести разделение изотопов. Если газ, содержащий два изотопа, пропускать через пористую мембрану, более лёгкие изотопы проникают через мембрану быстрее, чем тяжёлые. Для лучшего разделения процесс производится в несколько этапов. Этот процесс широко применялся для разделения изотопов урана (отделение 235U от основной массы 238U). (Сейчас для разделения изотопов урана применяется метод центрифугирования, при котором газ, содержащи уран, приводится в очень быстрое вращение и из-за разницы в массе молекул происходит разделение изотопов, которые затем переводятся обратно в металл.)
Слайд 15
Диффузия феноменологически подчиняется законам Фика. 1-й закон Фика устанавливает пропорциональность диффузионного потока частиц градиенту их концентрации; 2-й закон Фика описывает изменение концентрации, обусловленное диффузией. Явление диффузии было впервые исследовано вюрцбургским ученым А.Фиком на примере соляных растворов. Фик путем тщательных исследований показал, что свободная диффузия соляных растворов происходит по законам, совершенно аналогичным законам распространения тепла в твердых телах
Слайд 16
Диффузия в кристаллах Некоторые общие кристаллографические особенности процесса диффузии вполне очевидны, если принять во внимание геометрию кристалла. Прежде всего, диффузия почти всегда осуществляется постепенно, причем длина элементарных «шагов» порядка одного атомного диаметра, т. е. несколько ангстрем. Атомы движутся прыжками из одного положения в решетке в другое. В сумме эти элементарные прыжки обеспечивают перемещение атомов на большие расстояния. Выясним, каков механизм отдельных атомных прыжков. Существует несколько возможных схем: движение вакансий, движение атомов внедрения или какой-либо способ взаимного обмена местами между атомами (рис).
Атомные перемещения, которые приводят к диффузии: а – движение вакансий; б – движение атомов внедрения; в – обмен местами двух атомов; г – кольцевой обмен местами четырех атомов
Слайд 17
Основываясь на представлении о точечных дефектах в кристаллах, Френкель предложил два основных механизма диффузии в твердых телах: вакансионный (рис, а: атом перемещается, обмениваясь местами с вакансией) и междоузельный (рис, б: атом перемещается по междоузлиям). Вторым способом перемещаются маленькие (по размеру) атомы примесей, а первым - все остальные: это самый распространенный механизм диффузии.
Я́ков Ильи́ч Фре́нкель (1894 - 1952) - советский учёный, физик-теоретик, один из основополжников физики твердого тела. С 1921 года и до конца своей жизни Френкель работал в Ленинградском физико-техническом институте. Начиная с 1922 года Френкель публиковал буквально каждый год новую книгу. Он стал автором первого курса теоретической физики в СССР.
Слайд 18
Дислокации Дислокация - линейный дефект кристаллической решётки твёрдого тела, представляющий собой наличие "лишней" атомной полуплоскости. Простейшая наглядная модель краевой дислокации - книга, у которой от одной из внутренних страниц оторвана часть. Тогда, если страницы книги уподобить атомным плоскостям, то край оторванной части страницы моделирует линию дислокации. Различают дислокации винтовые и краевые.
Слайд 19
Чтобы в идеальном кристалле образовалась дислокация, необходимо произвести сдвиг в некоторой части плоскости скольжения
Плотность дислокаций изменяется в широких пределах и зависит от состояния материала. После тщательного отжига плотность дислокаций мала, в кристаллах с сильно деформированной кристаллической решеткой плотность дислокаций достигает весьма больших величин.
Слайд 20
Плотность дислокаций в значительной мере определяет пластичность и прочность материала. Если плотность меньше некоторого значения, то сопротивление деформированию резко возрастает, а прочность приближается к теоретической. Таким образом, повышение прочности достигается созданием металла с бездефектной структурой, а также, с другой стороны,повышением плотности дислокаций, затрудняющим их движение.
Слайд 21
При пластическом деформировании одна часть кристалла перемещается по отношению к другой под действием касательных напряжений. При снятии нагрузок сдвиг остается, т.е. происходит пластическая деформация. Приложение напряжения сдвига приводит к перемещению краевой дислокации, причем смещение ее оси на одну трансляцию означает смену полуплоскости, образующей в данный момент дислокацию. Перемещение краевой дислокации через весь кристалл приведет к сдвигу части кристалла на одно межатомное расстояние. Результатом этого является пластическая деформация кристалла (рис.), т. е. части кристалла оказываются смещены друг относительно друга на одну трансляцию.
Металл, находящийся в напряженном состоянии, при любом виде нагружения всегда испытывает напряжения нормальные и касательные. Рост нормальных и касательных напряжений приводит к разным последствиям. Рост нормальных напряжений приводит к хрупкому разрушению. Пластическую деформацию вызывают касательные напряжения.
Слайд 22
Повышение прочности достигается созданием металла с бездефектной структурой, а также повышением плотности дислокаций, затрудняющим их движение. В настоящее время созданы кристаллы без дефектов – нитевидные кристаллы длиной до 2 мм, толщиной 0,5…20 мкм – «усы» с прочностью, близкой к теоретической. Дислокации влияют не только на прочность и пластичность, но и на другие свойства кристаллов. С увеличением плотности дислокаций изменяются их оптические свойства, повышается электросопротивление металла. Дислокации увеличивают среднюю скорость диффузии в кристалле, ускоряют старение и другие процессы, уменьшают химическую стойкость, поэтому в результате обработки поверхности кристалла специальными веществами в местах выхода дислокаций образуются ямки.
Слайд 23
Эпитаксия - это закономерное нарастание одного кристаллического материала на другом (от греч. επι - на и ταξισ - упорядоченность), т. е. ориентированный рост одного кристалла на поверхности другого (подложки). Минимальная энергия расходуется, если рост кристалла происходит по винтовой дислокации.
Слайд 24
Спасибо за внимание!
Cлайд 1
СВОЙСТВА ДЕФЕКТОВ И ИХ АНСАМБЛЕЙ В КОНДЕНСИРОВАННЫХ СРЕДАХ Радиационная физика твердого телаCлайд 2
Содержание Раздел 1 Виды отдельных элементарных дефектов и их свойства. Дефекты в простых веществах 1.1.Классификация дефектов простых веществ 1.1.1.Междоузлие 1.1.2.Вакансии в ковалентных соединениях 1.1.3. Характеристики точечных дефектов 1.1.4. Междоузлия в простых веществах и их характеристики 1.1.5. Дефекты упаковки 1.1.6. Неупорядоченные сплавы. Примесные дефекты 1.1.7. Упорядоченные сплавы. Типы решеток с упорядочением 1.2.Равновесные и неравновесные дефекты 1.2.1.Равновесная концентрация точечных дефектов в простых веществах 1.3. Дефекты упорядочивающихся сплавов 1.3.1.Метрика дальнего порядка в упорядочивающихся сплавах 1.3.2.Метрика ближнего порядка в упорядочивающихся сплавах. Связь дальнего порядка и среднего значения ближнего порядка в упорядочивающихся сплавах 1.3.3.Температурная зависимость концентрация равновесных дефектов замещения в упорядочивающихся сплавах 1.3.4. Температурная зависимость концентрация равновесных вакансий в упорядочивающихся сплавах
Cлайд 3
Содержание Раздел 2. Описание дефектов кристаллической структуры в рамках теории упругости 2.1. Основные положения механики сплошной среды 2.1.1. Определения 2.1.2. Закон Гука 2.1.3. Закон Гука в обобщенном виде 2.1.4.Общий вид уравнений в абсолютных смещениях 2.2. Смещение атомов в кристаллической решетке с точечными дефектами. Изменение объема 2.3. Поведение дефекта во внешнем поле смещения 2.4. Плотность внутренних сил, эквивалентных центру дилатации 2.5. Взаимодействие дефектов с внешним упругим полем 2.6. Упругое взаимодействие точечных дефектов 2.7. Непрерывное распределение точечных дефектов в упругом поле 2.8. Течение кристалла. Ползучесть 2.9. Кинетика пор в кристалле 2.10. Неустойчивость однородного распределения точечных дефектов 2.11. Дислокации 2.12. Пластическая деформация кристаллов 2.13. Одномерная модель дислокации – модель Френкеля–Конторовой
Cлайд 4
Содержание Раздел 3. Радиационные дефекты 3.1. Методы СОЗДАНИЯ РАДИАЦИОННЫХ ДЕФЕКТОВ 3.1.1. Облучение в реакторе 3.1.2. Облучение на ускорителях тяжелых ионов 3.1.3. Облучение в высоковольтном электронном микроскопе 3.1.4. Основные преимущества и недостатки экспрессивных методов радиационного испытания 3.2. Первичные процессы взаимодействия частиц и излучений с твердым телом 3.2.1. Общие представления о процессах взаимодействия частиц с твердым телом 3.2.2. Взаимодействие нейтронов с веществом 3.2.3. Взаимодействие ускоренных ионов с веществом 3.2.4. Распределение по глубине проникновения внедренных ионов и дефектов, созданных ионами 3.2.5. Взаимодействие электронов с веществом 3.2.6. Взаимодействие - квантов с веществом 3.3. Основные условия воспроизводимости явлений реакторного повреждения при облучении на ускорителе
Cлайд 5
Содержание Раздел 4. Теоретическое сравнение структуры случайных полей радиационных дефектов, образующихся при облучении быстрыми частицами в пленочных образцах 4.1. Каскад атомных столкновений. Индивидуальные характеристики 4.2. Случайное поле дефектов. Статистика повреждений 4.3. Модель разреженных каскадов 4.4. Модель плотных каскадов 4.5. Параметры имитации 4.6. Имитационные соотношения для модельных спектров ПВА 4.7. Методика определения временного ресурса сверхпроводящих соединений 4.8. Расчет характеристик поля повреждений при облучении тонких пленок ионами и нейтронами со спектром, близким к реальному спектру ТЯР
Cлайд 6
Введение «Физика реального твердого тела» изучает физические явления и процессы, обусловленные или возникающие при высоком содержании дефектов в твердом теле, пытается выработать предсказательные теории, определяющие характеристики твердого тела. Все области применения и «вынужденного» использования твердого тела, так или иначе, определяются дефектами структуры. Простейшие примеры: проводимость идеального твердого тела равна нулю; критический ток в сверхпроводниках также равен нулю в отсутствии пиннинга системы вихрей на дефектах структуры. Важным направлением является контролируемое введение в матрицу примесей и дефектов, а также радиационно-стимулированное изменение структуры. Начало интенсивного развития этого направления соответствует появлению полупроводниковых приборов. Это направление можно назвать «Физической технологией» поскольку конструирование и создание новых приборов и инструментария исследователей определяется разработкой детальной физической картины процессов, интерпретации измеряемых величин. Естественное уменьшение размеров изучаемых объектов и новые измерительные возможности привели к появлению нового направления «Наносистемы». Контролируемое введение в матрицу примесей и дефектов представляет и физический интерес для анализа применимости тех или иных представлений физики конденсированных сред. Например, для анализа механизма сверхпроводимости в соединениях со структурой А15, ВТСП.
Cлайд 7
Ряд проблемных задач физики конденсированных систем имеет фундаментальный характер Предсказание механических свойств реальных твердых тел, в том числе в интенсивных радиационных полях; Электрические свойства и явления в конденсированных системах с высоким содержанием дефектов; Механизмы сверхпроводимости, в том числе – высокотемпературной, улучшение критических параметров сверхпроводников; Электронные и фотонные свойства органических полупроводников и кристаллов
Cлайд 8
Cлайд 9
Классификация дефектов простых веществ. Определение: Любые нарушения или искажения в регулярности расположения атомов кристалла считают дефектом кристаллической решетки. Различают следующие виды отдельных дефектов: Тепловое движение атомов Междоузельные атомы и вакансии Примесные атомы Граница кристалла Поликристаллы Дислокации Статические смещения решетки вблизи дефекта
Cлайд 10
1.Тепловое движение атомов отклонение атомов от положения равновесия; это термодинамически-равновесный вид дефекта, имеющий динамический характер.
Cлайд 11
2.Междоузельные атомы и вакансии. Эти дефекты имеют тенденцию быть равновесными. Характерное время релаксации к равновесному состоянию может быть достаточно большим. Действительно, процесс диффузии дефектов, определяющий их распределение в твердом теле, является термоактивируемым процессом, поэтому при недостаточно больших температурах часто встречаются неравновесные состояния систем этих дефектов. Значительным отличием систем точечных дефектов является наличие их взаимодействия между собой (через атомы матрицы), что приводит, в частности, к образованию их комплексов (ансамблей), конденсата в матрице, т.е. равновесное состояние системы точечных дефектов в большинстве случаев является неоднородным в пространстве (например, вакансии - ансамбль вакансий – пора).
Cлайд 12
3. Атомы примесей Примеси, даже при малой концентрации, могут существенно влиять на свойства кристалла, например, они вносят заметный вклад в проводимость полупроводников Плотность атомов в конденсированных системах 1022 - 1023 атомов/см3, концентрация дефектов в зависимости от предыстории получения образца меняется от 1012 - 1020 атом/см3.
Cлайд 13
4. Граница кристалла Этот дефект приводит к искажениям даже внутри матрицы и к нарушению кристаллической симметрии в областях примыкающих к границе. Картина зерен в поликристалле 5. Поликристаллы зерна или кристаллиты с разной ориентацией. Объем зерен больше физически представительного объема. Поперечный размер зерен порядка 10-3 10-6 см Свойства поликристаллов обусловлены как самими кристаллическими зернами, так и межзёренными границами. Если зерна малы и ориентированы хаотично, то в поликристаллах не проявляется анизотропия свойств, свойственная, например, монокристаллу. Если есть определенная ориентация зерен, то поликристалл является текстурированным и обладает анизотропией.
Cлайд 14
Выход краевой дислокации на границу Винтовая дислокация роста кристалла. Скопление дислокаций на межзеренных границах Сетка дислокаций Винтовая дислокация 5. Дислокации – неравновесный тип дефекта, т.е. их появление обусловлено предысторией образца и связано либо ростом кристаллита, либо действием внешних нагрузок или воздействий. Различают несколько типов дислокаций: краевые, винтовые, смешанные. Их скопления часто формируют межзеренные границы.
Cлайд 15
В зависимости от размерности различают следующие типы дефектов: 1. Точечные дефекты: Междоузельные атомы и вакансии, Примесные атомы 2. Линейные дефекты:Дислокации 3. Плоские дефекты: Граница кристалла, Поликристаллы Феноменологические характеристики точечных дефектов: - энергия образования; - энергия миграции; - дилатационный объём.
Cлайд 16
В идеальной структуре какого-либо типа, атом занимает положение, соответствующее узлу решетки. Лишний атом, для которого нет соответствующего узла, занимает междоузельное положение. Таких положений может быть для структуры несколько. Различные виды междоузельных атомов углерода в решетке алмаза: а – Тетраэдрическое – T; б – Гексагональное –H; в – междоузлие посредине связи – M; г – Расщепленное междоузлие (гантель -). Междоузлие
Cлайд 17
Лишний атом, для которого нет соответствующего узла, занимает междоузельное положение и возмущает распределение электронной плотности внутри элементарной ячейки Собственное междоузлие в алмазе Распределение электронной плотности в элементарной ячейке алмаза и в ячейке содержащей тетраэдрическое междоузельный атом углерода. Уровень изображенных изоповерхностей один и тот же =1.25
Cлайд 18
Вакансии в ковалентных соединениях Отсутствие атома в узле решетки создает точечный дефект типа вакансии: Конфигурация вакансии и дивакансии в алмазе Картина смещений отличается от смещений для междоузельных атомов направлением, обычно ближайшее окружение смещается к пустому узлу. В соединениях ионного типа вакансии образуются парами, что является энергетически более выгодной конфигурацией для данной структуры (дефект Шоттки). Сказывается необходимость соблюдения нейтральности. Такой тип дефектов проявляются тем выгоднее, чем выше ионность связи, например в NaCl. Отметим также, что в ВТСП типа YBa2Cu3O7 связь наблюдается частично ионной связи.
Cлайд 19
Атома нет в соответствующем узле, что приводит к возмущению распределение электронной плотности внутри элементарной ячейки Одиночная вакансия в алмазе Распределение электронной плотности в идеальной элементарной ячейке алмаза и в ячейке содержащей одиночную вакансию. Уровень изображенных изоповерхностей один и тот же =1.25
Cлайд 20
Cлайд 21
Модель образования вакансии в простых веществах Можно предложить следующий механизм образования вакансии. Атом выносится на границу кристалла, при этом число частиц в системе не изменяется. Действительно, простое удаление атома из узла решетки кристалла на бесконечность изменяет число частиц в системе и для расчета термодинамического потенциала системы потребуется учитывать этот факт. В окрестности образовавшейся вакансии будет происходить релаксация атомов (красные стрелки на рисунке). Будем считать, что два атома вещества взаимодействуют друг с другом посредством парного потенциала взаимодействия, который не зависит от окружения атомов.
Cлайд 22
Энергия атома, находящегося в узле кристалла, равна Eузл=z1*φ(R*), где число ближайших соседей порядка z1 6 - 8, R*– равновесное межатомное расстояние, оценка потенциала φ(R*) может быть сделана, например, из энергии сублимации вещества, что дает φ(R*) ≈ 0.2 ÷ 0.3eV. Таким образом, величина энергии атома в узле решетки равна Eузл~ 1.6 ÷ 2.4 эВ. Такая энергия должна быть затрачена на разрыв связей при образовании вакансии. Однако вынутый атом размещается на поверхности, следовательно, можно считать, что половина разорванных связей восстанавливается. Энергия атома, находящегося на поверхности равна. Таким образом, величина энергия формирования вакансии Ef ≈ 0.8 ÷ 1.2 эВ. Миграция ваканисии Рассмотрим миграцию вакансий. Чтобы атом А перепрыгнул на пустой узел, в котором расположена вакансия, казалось бы ему не нужно преодолевать барьер, но это не так – надо разорвать связи. Расчет энергии формирования вакансии
Cлайд 23
Кроме того, вдоль траектории миграции вакансии (или атома А) возникает энергетический барьер (энергетическая линза), создаваемый ближайшими атомами. Это наиболее наглядно видно в трехмерном кристалле Число ближайших соседей в сечении ABCD обычно меньше, чем у узле, z2 = 4. Если предположить, что парный потенциал меняется слабо, то величину энергетического барьера для миграции вакансии можно оценить Emγ ≈ 0.8 ÷ 1 эВ.
Cлайд 24
Дилатационный объем вакансии Пусть ω0 – объем, приходящийся на один атом твердого тела. При образовании вакансии поверхность за счет релаксации исказится, и объем кристалла V изменится. Оценки дают примерно δV(1)= - 0.1ω0, это результат был получен на основании результатов дилатационных экспериментов, связанных с введением в образец множества вакансий. Отметим, что в матрице окружающей область образования вакансии происходит некоторое увеличение плотности вещества за счет релаксации. В рассмотренном выше механизме образовании вакансии атом выходит на поверхность. Связанное с этим дополнительное изменение объема составляет δV(2)=+ω0. Таким образом, суммарное изменение объема кристалла равно: δV=δV(1) + δV(2) =+0.9ω0 Изменение объема
Дефекты в кристаллах подразделяют на:
Нульмерные
Одномерные
Двумерные
Точечные дефекты(нульмерные) -нарушения периодичности в изолированных друг от друга точках решетки; во всех трех измерениях они не превышают одного или нескольких межатомных расстояний (параметров решетки). Точечные дефекты – это вакансии, атомы в междоузлиях, атомы в узлах «чужой» подрешетки, примесные атомы в узлах или междоузлиях.
Вакансии – отсутствие атома или иона в узле кристаллической решетки; Внедренными или междоузельными атомамиили ионами могут быть как собственные, так и примесные атомы или ионы, отличающиеся от основных атомов по размеру или валентности. Примеси замещения заменяют частицы основного вещества в узлах решетки.
Линейные (одномерные) дефекты – Основными линейными дефектами являются дислокации. Априорное представление о дислокациях впервые использовано в 1934 году Орованом и Тейлером при исследовании пластической деформации кристаллических материалов, для объяснения большой разницы между практической и теоретической прочностью металла. Дислокация – это дефекты кристаллического строения, представляющие собой линии, вдоль и вблизи которых нарушено характерное для кристалла правильное расположение атомных плоскостей.
Поверхностные дефекты кристаллической решетки. К поверхностным дефектам решетки относятся дефекты упаковки и границы зерен.
Вывод: все виды дефектов в не зависимости от причины их возникновения приводят к нарушению равновесного состояния решетки и увеличивают ее внутреннюю энергию.
Дефектами
в кристаллах называют нарушения идеальной кристаллической структуры. Такое нарушение может заключаться в замене атома данного вещества чужим атомом (атомом примеси) (рис. 1, а), во внедрении лишнего атома в междоузлие (рис. 1, б), в отсутствии атома в узле (рис. 1, в). Подобные дефекты называют точечными
.
Они вызывают нарушения правильности решетки, распространяющиеся на расстояния порядка нескольких периодов.
Кроме точечных, существуют дефекты, сосредоточенные вблизи некоторых линий. Их называют линейными дефектами или дислокациями . Дефекты такого вида нарушают правильное чередование кристаллических плоскостей.
Простейшими видами дислокаций являются краевая и винтовая дислокации.
Краевая дислокация обусловливается лишней кристаллической полуплоскостью, внедренной между двумя соседними слоями атомов (рис. 2). Винтовую дислокацию можно представить как результат разреза кристалла по полуплоскости и последующего сдвига лежащих по разные стороны разреза частей решетки навстречу друг другу на величину одного периода (рис. 3).
Дефекты оказывают сильное влияние на физические свойства кристаллов, в том числе и на их прочность.
Первоначально имевшаяся дислокация под воздействием созданных в кристалле напряжений перемещается вдоль кристалла. Перемещению дислокаций препятствует наличие других дефектов в кристалле, например, присутствие атомов примеси. Дислокации тормозятся также при пересечении друг с другом. Увеличение плотности дислокаций и возрастание концентрации примесей приводит к сильному торможению дислокаций и прекращению их движения. В результате прочность материала растет. Так, например, повышение прочности железа достигается растворением в нем атомов углерода (сталь).
Пластическая деформация сопровождается разрушением кристаллической решетки и образованием большого количества дефектов, препятствующих перемещению дислокаций. Этим объясняется упрочение материалов при их холодной обработке.
Диффузия процесс переноса материи или энергии из области с высокой концентрацией в область с низкой. Диффузия представляет собой процесс на молекулярном уровне и определяется случайным характером движения отдельных молекул. Диффузия в кристаллах - это процесс, при котором атомы могут переходить из одного узла в другой. Автоионная микроскопия – это метод прямого наблюдения кристаллической решетки металлов и сплавов с атомарным разрешением.
Диффузионные процессы в твердых телах заметно зависят от структуры данного кристалла и от дефектов кристаллического строения. Дефекты, появляясь в веществе, или облегчают атомные перемещения, или затрудняют их, работая как ловушки для мигрирующих атомов.
ДИФФУЗИЯ – ПРОЦЕСС СЛУЧАЙНЫХ БЛУЖДАНИЙ Первый закон Фика: Частота скачков атомов: n = n 0 e - Q / kT, где Q - энергия активации диффузии, k – постоянная Больцмана, n 0 – константа. Коэффициент диффузии D зависит от температуры кристалла по закону Аррениуса: D = D 0 e - Q / kT Энергия активации диффузии зависит как от энергии образования конкретного дефекта E f, так и от энергии активации его миграции E m: Q = E f + E m.
АТОМНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ДИФФУЗИИ Механизм обмена атомов местами; кольцевой механизм; механизм прямого перемещения атомов по междоузлиям; механизм непрямого перемещения межузельной конфигурации; краудионный механизм; вакансионный механизм; дивакансионный механизм; механизмы диффузии по дислокациям; механизмы диффузии по границам зерен в поликристаллах.
ВАКАНСИОННЫЕ МЕХАНИЗМЫ Энергия активации миграции по вакансионному механизму для таких металлов, как медь, серебро, железо и т.п., равна приблизительно эВ (тот же порядок величины имеет и энергия образования вакансии). Простейшим вакансионным кластером является объединение двух вакансий – бивакансия (2V). Энергия, необходимая для такого перемещения, часто оказывается меньшей, чем одной вакансии.
МЕЖУЗЕЛЬНЫЕ МЕХАНИЗМЫ Появление межузельных атомов в кристаллах может быть обусловлено способом приготовления или эксплуатации материала. Межузельные атомы можно разделить в кристаллах на собственные и примесные (инородные) межузельные атомы. Инородные (примесные) атомы также в большинстве случаев образуют с собственными атомами гантели, но их называют смешанными. Изобилие межузельных конфигураций порождает изобилие механизмов миграции с помощью межузельных атомов.
Вакансия должна притягиваться в область сжатия над крайним атомным рядом лишней полуплоскости, а межузельный атом – в область расширения, расположенную снизу полуплоскости. Простейшие дислокации представляют собой дефект в виде незавершенной внутри кристалла атомной полуплоскости.
Диффузия по дефектным местам в кристаллах имеет специфические особенности. Прежде всего она идет более легко, чем диффузия по бездефектным механизмам. Но ее источники небезграничны: концентрации дефектов в процессе диффузии практически всегда убывают за счет аннигиляции разноименных дефектов, ухода дефектов на так называемые стоки. Но если концентрация дефектов велика, их роль в диффузии настолько возрастает, что приводит к так называемой ускоренной диффузии, ускоренным фазово-структурным превращениям в материалах, ускоренной ползучести материалов под нагрузкой и т.п. эффектам.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ Перечень механизмов миграции по дефектным местам в кристаллах постоянно пополняется по мере все более углубленного изучения дефектов кристаллического строения вещества. Включение того или иного механизма в процесс диффузии зависит от многих условий: от подвижности данного дефекта, его концентрации, температуры кристалла и других факторов.
