Внедренные атомы и вакансии

Точечные нарушения правильности расположения атомов во всех материалах могут носить как статический, так и динамический характер. Тепловые колебания атомов приводят к тому, что в каждый момент времени некоторые атомы не находятся в идеальных .положениях в решетке, а смешены из этих положений на некоторое расстояние. Величины динамических среднеквадратичных смещений атомов u2_дин определяются путем рентгеноструктурных исследований [4—6], измерений теплоемкости и т. д. и уменьшаются при уменьшении температуры.

Статические и квазистатические точечные дефекты, которые могут существовать в кристаллах длительное время, связаны с наличием дополнительных атомов или отсутствием некоторых атомов в кристаллической решетке. Дефект, возникающий при удалении одного атома из узла в решетке идеального кристалла, носит название вакансии.

Простейший пример вакансии в плоскости (100) кристалла, относящегося к кубической системе, приведен на рис. 1.13 (вакансия обозначена через А). Другим распространенным типом точечного дефекта является внедренный атом, дефект, возникающий при внедрении «лишнего» атома в кристаллическую решетку (на рис. 1.13 внедренный атом обозначен через В).

Рис. 1.13. Основные точечные дефекты: вакансия (Л) и внедренный атом (В) в плоскости (100) кристалла с простой кубической структурой

В общем случае точечные дефекты классифицируют следующим образом.
1. Если атом, покинувший свое место в решетке (и образовавший тем самым вакантный узел), оказывается в каком-либо межузельном положении среди других атомов, то такое нарушение правильности решетки называется дефектом по Френкелю.

2. Если атом, покинувший -свое место в решетке, выходит на внешнюю поверхность кристалла (удаляется из кристалла), то возникает нарушение решетки, называемое дефектом по Шоттки. Дефект «анти-Шоттки» образуется при внедрении в решетку атома с поверхности кристалла.

Следует отметить, что в ионных кристаллах при образовании дефекта по Шоттки необходимо удаление сразу пары ионов противоположного знака (для сохранения электрической нейтральности кристалла).

Расположение внедренных атомов в кристаллах обычно соответствует условию минимума энергии, поэтому они располагаются в рассмотренных выше порах (междоузлиях) октаэдрического и тетраэдрического типов. Кроме простейших точечных дефектов, рассмотренных выше, возможно образование и более сложных комбинаций точечных дефектов.

Двойные вакансии (дивакансии) возникают при удалении двух соседних атомов из кристаллической решетки. Анализ показывает, что объединение двух изолированных вакансий в дивакансию сопровождается выигрышем в энергии. (При этом подвижность дивакансии (во всяком случае для гранецентрированного кубического кристалла) значительно больше, чем для единичной вакансии.

Образование тройной вакансии (тривакансии) также энергетически выгодно, но в гранецентрированных кубических кристаллах, где лучше всего исследованы точечные дефекты, плоское образование из трех вакансий неустойчиво; устойчивым образованием является тетраэдр, образованный из вакансий на месте удаленных атомов в гранях куба и смещенного атома в вершине куба.

Возможны также сложные дефекты типа внедрения. Так в гранецентрированной кубической решетке внедренный атом может расположиться на прямой, соединяющей центры двух соседних граней куба и образовать с ним конфигурацию типа гантели с центром тяжести в узле решетки. Наконец, дефект типа сгущения (кроудион) можно представить, как размазанный по целому ряду атомов внедренный атом.