Файл: дефекты.pdf

ФЕДЕРАЛЬНОЕ  АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО

ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Химический факультет

Кафедра физической химии

«Дефекты кристаллической решетки»

Реферат

Шифр специальности 011000

Химия

студента 5 курса Химического ф-та в/о:

Курочкиной И.О.

Проверил:

Калужина С.А.

Воронеж

2013

Оглавление

1. Дефекты кристаллической решетки______________________________________________3
2. Точечные дефекты_____________________________________________________________4
3. Линейные дефекты — дислокации_______________________________________________8
4. Поверхностные и объемные дефекты____________________________________________11
5. Литература__________________________________________________________________13

Дефекты кристаллической решетки

Кристаллы, атомы в которых расположены строго периодически, называют идеальными. 

Все реальные кристаллы обязательно содержат отклонения от идеальной структуры, такие 
отклонения   принято   называть   дефектами   структуры.   Дефекты   структуры   разделяют   на 
динамические   и   статические.   К   динамическим   дефектам   относят   искажения 
кристаллической решетки, вызванные тепловыми колебаниями или же колебаниями атомов в 
поле   проходящей   через   кристалл   электромагнитной   волны.   Эти   дефекты  cвязаны   со 
смещениями   атомов   относительно   их   равновесных   положений,   они   существуют   даже   в 
идеальных   кристаллах.   Статические   дефекты   связаны   с   нарушениями   в   расположении 
атомов в кристаллической решетке, например, один атом в узле решетки отсутствует или 
замещен другим, или же атомы перегруппировались и сформировали внутри кристалла более 
крупный дефект.

Статические дефекты принято разделять на 4 группы, различающиеся "формой" дефекта: 
1)

точечные дефекты, например, отсутствие атома в узле решетки;

2)

линейные дефекты - дислокации, в которых сильные отклонения от периодичности 

наблюдаются вдоль линии; 

3)

поверхностные дефекты, например, границы кристалла и зерен поликристалла;  

4)

объемные   дефекты,  например,   поры,   микротрещины   или   малые   включения   другой 

фазы.

Многие   физические   свойства   кристаллов   сильно   зависят   от   дефектов   разных   групп. 

Например,   прочность   и   пластичность   материала   сильнее   всего   зависят   от   линейных, 
поверхностных   и   объемных   дефектов.   Электросопротивление   в   основном   зависит   от 
точечных дефектов. Коэффициент диффузии, теплопроводность, окраска кристаллов также 
сильно зависят от наличия дефектов.

Точечные дефекты

Точечные дефекты - самые мелкие дефекты, обычно связаны с "ненормальной" ситуацией 

вокруг одного атома (отсутствием одного атома, замещением одного атома другим или же 
появлением   "лишнего"   атома).   Рассмотрим   различные   точечные   дефекты,   схематически 
изображенные на рис. 1.1:

1)

Вакансия.

Атом   может   отсутствовать   в   некотором   узле   кристаллической   решетки   (см.  рис.   1.1   (1)). 
Такое пустое место называют вакансией. Часто вакансия появляется при кристаллизации - 
случайно один узел оказывается пустым, и, если следующий слой атомов закрывает подход 
атомов из раствора или расплава к пустому узлу-вакансии, то узел может оказаться пустым. 
Вакансию часто называют - дефект по Шотки.

2)

Междоузельный атом. 

Атом   может   разместиться   не   в   узле   кристаллической   решетки,   а   в   промежутке   между 
атомами — междоузлии (см. рис. 1.1 (2)), такой дефект называют междоузельным атомом. 
Появляется междоузельный атом, как и вакансия, часто при кристаллизации - случайно один 
из   атомов   в   результате   теплового   движения   попадет   в   промежуток   между   соседними 
атомами, и, если его место займет какой либо другой атом, то междоузельный атом так и 
останется в новом ненормальном положении.

3)

Дефект по Френкелю. 

Часто вакансия и межузельный атом возникают парами (см. рис. 1.1 (3)), в этом случае один 
из атомов перескакивает из узлового положения в соседнее междоузлие. Причиной такого 
перескока может быть тепловое движение при сравнительно высоких температурах, порядка 
температуры плавления, или выбивание атома быстродвижущейся частицей (радиационный 
дефект). Такая пара дефектов называется дефектом по Френкелю.

4)

Атом примеси. 

Один из атомов может быть замещен атомом примеси (см. рис. 1.1 (4)), при этом также 
получается   дефект,   называемый   примесным   атомом   замещения.   Примесный   атом   может 
разместиться и в междоузлии (см. рис. 1.1 (5)), как бы внедрившись в него. Такой дефект, 
называемый примесным атомом внедрения, часто появляется в случае, когда атом примеси 
значительно   меньше   атомов   кристалла   и   в   решетке   кристалла   имеются   междоузлия 
достаточного   размера;   часто   примесями   внедрения   оказываются   атомы   водорода,   бора, 
углерода. Если атом примеси превосходит по размерам атомы кристалла, то, как правило, он 
замещает атомы кристалла.
Часто   атомы   примеси,   отличающиеся   валентностью   от   атомов   кристалла,   обусловливают 
появление вакансий, как это происходит в  кристаллах  KСl  при  добавлении к нему Ca, так, 
что кристалл в целом остается нейтральным. В таком случае атом двухвалентного кальция 
занимает место одного атома калия, а место, где должен был бы находиться атом калия, 
оказывается пустым (см. рис. 1.1 (6)).

Рис.1.1.

Типы точечных дефектов: 1 - вакансия; 2 - межузельный атом; 3 - дефект по Френкелю; 4 - 
примесный атом замещения; 5 - примесный атом внедрения; 6 - атом замещения большей 
валентности

Энергия точечного дефекта и вероятность его образования. С точечным дефектом связана 

энергия Ev образования дефекта: в случае вакансии (это энергия, необходимая для удаления 
атома  на   поверхность  кристалла;   в  случае  внедренного   атома   -  энергия   необходимая  для 
перемещения атома с поверхности кристалла в междоузлие. Как правило, она составляет 
примерно   1   эВ.   Вероятность   образования   точечного   дефекта   вычисляется   по   формуле 
Больцмана: 

Вероятность  P, вычисленная по этой формуле при  Ev=1эВ  и  T=1000K, окажется равной 

 . 

При   более   низких   температурах   плотность   дефектов   убывает   экспоненциально   и 

оказывается очень малой величиной при температурах ниже комнатной. Однако и при низких 
температурах   плотность   дефектов   может   оказаться   высокой,   если   кристалл,   нагретый   до 
высокой   температуры,   быстро   охладить   (закалить).   Тогда   плотность   дефектов   будет 
соответствовать высокой температуре.

В случае дефекта по Френкелю, для образования пары дефектов (вакансии и межузельного 

атома) потребуется энергия E

Fr

, численно равная энергии необходимой для удаления атома на 

поверхность   кристалла,   а   затем   для   перемещения   атома   с   поверхности   кристалла   в 
междоузлие. Можно показать, что число таких дефектов вычисляется по формуле:

где N

A

 и N

M

 соответственно число узлов и междоузлий в кристалле.

С   повышением   температуры   равновесное   количество   дефектов   возрастает,   и   на   их 

образование   требуется   дополнительная   энергия.   Поэтому  в   некоторых   кристаллах   вблизи 
температуры   плавления,   когда   при   нагреве   намного   увеличивается   число   дефектов, 
наблюдается   эффект   увеличения   теплоемкости,   сопоставимый   с   типичными   значениями 
молярной теплоемкости, связанной с колебаниями кристаллической решетки (см. рис. 1.2).