Дефекты в кристаллах

Кристаллов с идеальным строением в природе не существует. В реальных условиях всегда существуют те или иные отклонения от регулярного расположения частиц. Такие нарушения структуры кристаллов называют дефектами. Дефекты структуры оказывают существенное влияние на механическую прочность, электропроводность, теплопроводность и ряд других свойств кристаллических тел. Дефекты кристаллов условно подразделяют на динамические (временные) и статические (постоянные). Динамические дефекты возникают при механических, тепловых или электромагнитных воздействиях на кристалл, при прохождении через него потока частиц высокой энергии и др. Наиболее распространённым видом динамических дефектов являются временные искажения регулярности решётки, вызванные тепловым движением атомов (фононы).

Статические дефекты подразделяются на точечные и протяжённые в пространстве. Точечные, в свою очередь, могут возникать с образованием пустого узла (вакансия) и внедрённого в междуузлие атома (дислоцированный атом) – это дефекты по Френкелю (см. рисунок 1.5 – а); другой вид точечных дефектов – дефектов по Шоттки (рисунок 1.5 – б) – характеризуется только образованием вакансий.

Рисунок 1.5. Точечные дефекты: по Френкелю – а). по Шоттки – б).

Вакансии в первую очередь образуются на поверхности кристалла из-за испарения атомов, но они могут быть втянуты и во внутрь при замене пустого узла на поверхности близлежащим глубинным атомом. Аналогичный механизм замены приводит к тому, что вакансии могут перемещаться по всему кристаллу. Возможно образование двух и трёх вакансий, причём, образование дивакансий тривакансий энергетически более выгодно, ибо при этом атом, удаляющийся из узла, преодолевает силу уже не Z атомов (Z – координационное число), а на один или два атома меньше.

К точечным дефектам относят и искажения кристаллической решётки из-за наличия примесей – чужеродных атомов. Примеси есть в любом, даже самом чистом веществе, они могут находиться либо в виде относительно крупных включений, либо в виде растворов. Различают растворы замещения (рисунок 1.6 – а), когда посторонний атом помещается в узел решётки вместо атома основного и раствор внедрения (рисунок 1.6 – б) – чужеродный атом помещается в междоузлие кристаллической решётки.

Рисунок 1.6. Дефекты решётки из-за примесей. Раствор замещения - а), раствор внедрения – б).

Атомы примеси, искажая кристаллическую решётку, являются эффективными центрами рассеяния и оказывают существенное влияние на многие свойства вещества, в том числе и на электрическое сопротивление. Например, тысячные доли процента некоторых примесей могут изменять электрическое сопротивление чистых полупроводников в10⁵ – 10⁶ раз. В связи с этим дозированное и контролируемое искусственное введение (легирование) необходимых примесей представляет собой мощный способ создания материалов с заданными параметрами.

К протяжённым (линейным) дефектам относят краевые и винтовые дислокации – простейшие примеры такого рода дефектов кристаллов. На рисунке 1.7. показаны примеры бездефектного кристалла - а) и кристалла с краевой дислокацией, которая образована недостроенной атомной плоскостью (экстраплоскостью М ) – б).

вектор Бюргерса

Рисунок 1.7. Построение контура Бюргерса для бездефектного кристалла – а) и при наличии краевой дислокации – б).

Наличие экстраплоскости приводит к тому, что нарушаются межатомные расстояния ниже этой плоскости, так как здесь на один атом в ряду меньше – это и есть дефект кристаллической структуры. Поскольку такие нарушения структуры наблюдаются вдоль всей экстраплоскости, то они и называются линейными. Центром дислокации является край плоскости М. Если плоскость М расположена в верхней части кристалла, то дислокация называется положительной (как на рисунке 1,7.), а если в нижней, - отрицательной. Численно линейная дислокация описывается вектором Бюргерса, получаемым из контура Бюргерса. Последний строится следующим образом: от произвольно выбранного атома (выделенный на рисунке) продвигаются влево на m межатомных расстояний, затем на n таких же шагов вниз, на m – вправо и на n – вверх. Если начальная и конечная точки совпадут, то вектор Бюргерса равен нулю и дефектов в этом пространстве кристалла нет. Если для замыкания контура требуется дополнительный вектор (жирная стрелка на рисунке 1.7 – б), то его наличие говорит о линейной дислокации, а его длина - о количестве недостроенных атомных плоскостей, т.е. о количестве линейных дефектов внутри построенного контура. Как видно из рисунка в случае наличия линейных дислокаций вектор Бюргерса направлен перпендикулярно экстраплоскости. На рисунке 1.8. показан дугой тип протяжённых дефектов – винтовая дислокация, которая образуется при сдвиге одной части кристалла относительно другой по плоскости М.

Рисунок 1.8. Винтовая дислокация.

Контур Бюргерса для винтовой дислокации строится так же, как и для линейной. Отличие заключается в том, что вектор Бюргерса винтовой дислокации находится в экстраплоскости и параллелен оси дислокации, а не перпендикулярен ей. Если контур Бюргерса замыкается против часовой стрелки, то дислокация правая (как на рисунке 1.8), а если по часовой стрелке – левая. Линейные и винтовые дислокации взаимодействуют между собой, с атомами примеси, с другими точечными дефектами. Это взаимодействие проявляется в направленном движении дислокаций по кристаллу, причём, одноимённые дислокации отталкиваются друг от друга, а разноимённые – притягиваются. В результате возникают сжатые и растянутые области решётки, приводящие к перемещению дислоцированных атомов и атомов примеси: к сжатым областям диффундируют атомы с малым радиусом, к растянутым – с большим радиусом. Так возникают скопления примесных атомов в кристалле (облака Котрелла).

Качество кристалла можно характеризовать плотностью дислокаций. Например, совершенные кристаллы кремния и германия имеют всего 10² – 10³ дислокаций на один квадратный см, хорошо выращенные недеформированные кристаллы – 10⁵ – 10⁶ см ^{– 2} , сильно деформированные – 10¹¹ – 10¹³ см ^{– 2} .