Egenskaper til defekter og deres ensembler i kondensert materiale. Presentasjon om temaet "defekter i krystallgitter" Defekter i krystaller

Defekter i krystaller er delt inn i:

Nulldimensjonal

Endimensjonal

Todimensjonal

Punktdefekter (nulldimensjonale) - brudd på periodisitet ved gitterpunkter isolert fra hverandre; i alle tre dimensjonene overskrider de ikke en eller flere interatomære avstander (gitterparametere). Punktdefekter er ledige plasser, atomer i mellomrom, atomer i steder i et "fremmed" undergitter, urenhetsatomer i steder eller mellomrom.

Ledige stillinger- fravær av et atom eller ion i et krystallgittersted; Implementert eller interstitial atomer eller ioner kan være både iboende og urenhetsatomer eller ioner som skiller seg fra hovedatomene i størrelse eller valens. Substitusjonelle urenheter erstatte partikler av hovedstoffet ved gitternoder.

Lineær(endimensjonale) defekter – De viktigste lineære defektene er dislokasjoner. A priori-begrepet dislokasjoner ble først brukt i 1934 av Orowan og Theiler i deres studie av plastisk deformasjon av krystallinske materialer, for å forklare den store forskjellen mellom den praktiske og teoretiske styrken til et metall. Dislokasjon– dette er defekter i krystallstrukturen, som er linjer langs og i nærheten av som det korrekte arrangementet av atomplan som er karakteristisk for krystallen, blir forstyrret.

Overflatedefekter i krystallgitteret. Overflategitterdefekter inkluderer stablingsfeil og korngrenser.

Konklusjon: Alle typer defekter, uavhengig av årsaken til deres forekomst, fører til brudd på likevektstilstanden til gitteret og øker dens indre energi.

Defekter i krystaller er brudd på den ideelle krystallstrukturen. Et slikt brudd kan bestå i å erstatte et atom av et gitt stoff med et fremmedatom (urenhetsatom) (fig. 1, a), i innføring av et ekstra atom i et interstitielt sted (fig. 1, b), i fravær av et atom i en node (fig. 1, c). Slike defekter kalles punkt.

De forårsaker uregelmessigheter i gitteret, som strekker seg over avstander i størrelsesorden flere perioder.

I tillegg til punktdefekter er det defekter konsentrert nær visse linjer. De kalles lineære defekter eller dislokasjoner. Defekter av denne typen forstyrrer den riktige vekslingen av krystallplan.

De enkleste typene dislokasjoner er regional Og skru dislokasjoner.

En kantdislokasjon er forårsaket av et ekstra krystallinsk halvplan satt inn mellom to tilstøtende lag med atomer (fig. 2). En skruedislokasjon kan representeres som et resultat av et kutt i en krystall langs et halvplan og den påfølgende forskyvningen av gitterdelene som ligger på motsatte sider av snittet mot hverandre med verdien av en periode (fig. 3).

Defekter har en sterk innvirkning på de fysiske egenskapene til krystaller, inkludert deres styrke.

Den opprinnelig eksisterende dislokasjonen, under påvirkning av spenninger skapt i krystallen, beveger seg langs krystallen. Bevegelsen av dislokasjoner forhindres av tilstedeværelsen av andre defekter i krystallen, for eksempel tilstedeværelsen av urenhetsatomer. Dislokasjoner bremses også når man krysser hverandre. En økning i dislokasjonstettheten og en økning i konsentrasjonen av urenheter fører til en sterk hemming av dislokasjoner og en opphør av deres bevegelse. Som et resultat øker styrken til materialet. For eksempel oppnås økning av styrken til jern ved å løse opp karbonatomer i det (stål).

Plastisk deformasjon er ledsaget av ødeleggelse av krystallgitteret og dannelsen av et stort antall defekter som forhindrer bevegelse av dislokasjoner. Dette forklarer styrkingen av materialer under kald bearbeiding.

Lysbilde 1

EGENSKAPER TIL DEFEKTER OG DERES ENSEMBLER I KONDENSERT STOFF Strålingsfysikk av faste stoffer

Lysbilde 2

Innhold Seksjon 1 Typer av individuelle elementære defekter og deres egenskaper. Defekter i enkle stoffer 1.1 Klassifisering av feil i enkle stoffer 1.1.2. Ledige stillinger i kovalente forbindelser. Kjennetegn på punktfeil 1.1.4. Internoder i enkle stoffer og deres egenskaper 1.1.5. Emballasjefeil 1.1.6. Uordnede legeringer. Urenhetsfeil 1.1.7. Bestilte legeringer. Typer gitter med orden 1.2 Likevektsdefekter 1.2.1 Likevektskonsentrasjon av punktdefekter i enkle stoffer 1.3. Feil ved bestilling av legeringer 1.3.1. Lang rekkevidde ved bestilling av legeringer 1.3.2. Forholdet mellom langdistanseorden og gjennomsnittsverdien av kortdistanseorden ved bestilling av legeringer 1.3.3 Temperaturavhengighet av konsentrasjonen av likevektssubstitusjonsdefekter ved bestilling av legeringer 1.3.4. Temperaturavhengighet av konsentrasjonen av ledige likevektsstillinger i bestilling av legeringer

Lysbilde 3

Innhold Del 2. Beskrivelse av defekter i krystallstrukturen innenfor rammen av elastisitetsteorien 2.1. Grunnleggende prinsipper for kontinuumsmekanikk 2.1.1. Definisjoner 2.1.2. Hookes lov 2.1.3. Hookes lov i en generalisert form 2.1.4 Generell form for ligninger i absolutte forskyvninger 2.2. Forskyvning av atomer i et krystallgitter med punktdefekter. Endring i volum 2.3. Oppførsel av en defekt i et eksternt forskyvningsfelt 2.4. Tetthet av indre krefter tilsvarende sentrum for dilatasjon 2.5. Interaksjon av defekter med et eksternt elastisk felt 2.6. Elastisk interaksjon av punktdefekter 2.7. Kontinuerlig fordeling av punktfeil i et elastisk felt 2.8. Krystallflyt. Kryp 2.9. Kinetikk av porene i en krystall 2.10. Ustabilitet av en jevn fordeling av punktdefekter 2.11. Dislokasjoner 2.12. Plastisk deformasjon av krystaller 2.13. Endimensjonal dislokasjonsmodell – Frenkel–Kontorova-modell

Lysbilde 4

Innhold Seksjon 3. Strålingsfeil 3.1. Metoder for OPPRETTELSE AV STRÅLINGSDEFEKT 3.1.1. Bestråling i reaktoren 3.1.2. Bestråling ved tunge ioneakseleratorer 3.1.3. Bestråling i et høyspent elektronmikroskop 3.1.4. Hovedfordeler og ulemper ved testmetoder for ekspressiv stråling 3.2. Primære prosesser for interaksjon av partikler og stråling med et fast legeme 3.2.1. Generelle ideer om prosessene for interaksjon mellom partikler og et fast legeme 3.2.2. Interaksjon av nøytroner med stoff 3.2.3. Interaksjon av akselererte ioner med stoff 3.2.4. Fordeling etter penetrasjonsdybde av innebygde ioner og defekter skapt av ioner 3.2.5. Interaksjon av elektroner med materie 3.2.6. Interaksjon - kvantum med materie 3.3. Grunnleggende betingelser for reproduserbarheten av reaktorskadefenomener under akseleratorbestråling

Lysbilde 5

Innhold Del 4. Teoretisk sammenligning av strukturen til tilfeldige felt av strålingsdefekter dannet under bestråling med raske partikler i filmprøver 4.1. Kaskade av atomkollisjoner. Individuelle egenskaper 4.2. Tilfeldig felt av defekter. Skadestatistikk 4.3. Modell av sparsomme kaskader 4.4. Modell av tette kaskader 4.5. Simuleringsparametere 4.6. Simuleringsrelasjoner for modellspektra til PVA 4.7. Metodikk for å bestemme den midlertidige levetiden til superledende forbindelser 4.8. Beregning av skadefeltkarakteristikker når tynne filmer bestråles med ioner og nøytroner med et spektrum nær det virkelige TNR-spekteret

Lysbilde 6

Innledning "Fysikk til en ekte fast kropp" studerer fysiske fenomener og prosesser som forårsakes eller oppstår når det er et høyt innhold av defekter i en solid kropp, og prøver å utvikle prediktive teorier som bestemmer egenskapene til en solid kropp. Alle bruksområder og "tvungen" bruk av en solid kropp er på en eller annen måte bestemt av strukturelle defekter. De enkleste eksemplene: konduktiviteten til et ideelt fast stoff er null; den kritiske strømmen i superledere er også null i fravær av pinning av systemet av virvler ved strukturelle defekter. En viktig retning er kontrollert innføring av urenheter og defekter i matrisen, samt strålingsstimulerte endringer i strukturen. Begynnelsen av intensiv utvikling av denne retningen tilsvarer utseendet til halvlederenheter. Denne retningen kan kalles "fysisk teknologi" siden design og etablering av nye instrumenter og verktøy for forskere bestemmes av utviklingen av et detaljert fysisk bilde av prosessene og tolkningen av de målte mengdene. Den naturlige reduksjonen i størrelsen på objektene som studeres og nye målemuligheter har ført til fremveksten av en ny retning, "Nanosystemer". Den kontrollerte introduksjonen av urenheter og defekter i matrisen er også av fysisk interesse for å analysere anvendeligheten til visse konsepter av kondensert materiefysikk. For eksempel for å analysere mekanismen for superledning i forbindelser med A15, HTSC-strukturen.

Lysbilde 7

En rekke problematiske problemer i fysikken til kondenserte systemer er av grunnleggende karakter: Forutsigelse av de mekaniske egenskapene til virkelige faste stoffer, inkludert i intense strålingsfelt; Elektriske egenskaper og fenomener i kondenserte systemer med høyt innhold av defekter; Mekanismer for superledning, inkludert høy temperatur, forbedring av kritiske parametere for superledere; Elektroniske og fotoniske egenskaper til organiske halvledere og krystaller

Lysbilde 8

Lysbilde 9

Klassifisering av feil ved enkle stoffer. Definisjon: Enhver forstyrrelse eller forvrengning i regelmessigheten til arrangementet av atomer i en krystall regnes som en defekt i krystallgitteret. Følgende typer individuelle defekter skilles ut: Termisk bevegelse av atomer Interstitielle atomer og ledige stillinger Urenhetsatomer Krystallgrense Polykrystaller Dislokasjoner Statiske gitterforskyvninger nær defekten

Lysbilde 10

1. Termisk bevegelse av atomer avvik fra likevektsposisjonen; Dette er en termodynamisk likevektstype defekt som har en dynamisk karakter.

Lysbilde 11

2. Interstitielle atomer og ledige stillinger. Disse defektene har en tendens til å være i likevekt. Den karakteristiske avspenningstiden til likevektstilstanden kan være ganske lang. Faktisk er prosessen med diffusjon av defekter, som bestemmer deres fordeling i et fast stoff, en termisk aktivert prosess, ved utilstrekkelig høye temperaturer oppstår ofte ikke-likevektstilstander av disse defektene. En betydelig forskjell mellom systemer med punktdefekter er tilstedeværelsen av deres interaksjon med hverandre (gjennom matriseatomer), noe som spesielt fører til dannelsen av deres komplekser (ensembler), kondensat i matrisen, dvs. likevektstilstanden til et system med punktdefekter er i de fleste tilfeller inhomogen i rommet (for eksempel ledige stillinger - et ensemble av ledige stillinger - en pore).

Lysbilde 12

3. Urenhetsatomer Urenheter, selv ved lave konsentrasjoner, kan påvirke egenskapene til krystallen betydelig, for eksempel gir de et betydelig bidrag til ledningsevnen til halvledere. Tettheten av atomer i kondenserte systemer er 1022 - 1023 atomer/cm3. konsentrasjonen av defekter, avhengig av bakgrunnen for å få prøven, varierer fra 1012 - 1020 atom/cm3.

Lysbilde 13

4. Krystallgrense Denne defekten fører til forvrengninger selv inne i matrisen og til brudd på krystallsymmetri i områder ved siden av grensen. Mønster av korn i en polykrystall 5. Polykrystallinske korn eller krystallitter med ulik orientering. Volumet av korn er større enn det fysisk representative volumet. Tverrkornstørrelsen er ca 10-3 10-6 cm Polykrystallenes egenskaper bestemmes både av selve krystallkornene og av korngrensene. Hvis kornene er små og tilfeldig orienterte, vises ikke anisotropien til egenskaper som er karakteristiske for for eksempel en enkelt krystall, i polykrystaller. Hvis det er en viss kornorientering, er polykrystallen teksturert og har anisotropi.

Lysbilde 14

Fremveksten av en kantdislokasjon ved grensen Skruedislokasjon av krystallvekst. Akkumulering av dislokasjoner ved korngrenser Dislokasjonsnettverk Skrue dislokasjon 5. Dislokasjoner er en ikke-likevektstype defekt, dvs. deres utseende bestemmes av prøvens forhistorie og er assosiert enten med krystallittvekst eller med virkningen av ytre belastninger eller påvirkninger. Det er flere typer dislokasjoner: kant, skrue, blandet. Deres ansamlinger danner ofte korngrenser.

Lysbilde 15

Avhengig av dimensjon skilles følgende typer defekter ut: 1. Punktdefekter: Interstitielle atomer og vakanser, Urenhetsatomer 2. Lineære defekter: Dislokasjoner 3. Plane defekter: Krystallgrense, Polykrystaller Fenomenologiske egenskaper ved punktdefekter: - formasjonsenergi ; - migrasjonsenergi; - utvidelsesvolum.

Lysbilde 16

I en ideell struktur av en eller annen type inntar atomet en posisjon som tilsvarer et gittersted. Et ekstra atom som det ikke er noe tilsvarende sted for, opptar en interstitiell posisjon. Det kan være flere slike bestemmelser for en struktur. Ulike typer interstitielle karbonatomer i diamantgitteret: a – Tetraedrisk – T; b – Sekskantet –H; c – internode i midten av bindingen – M; d – Delt internode (hantel -). internode

Lysbilde 17

Et ekstra atom, som det ikke er tilsvarende sted, opptar en interstitiell posisjon og forstyrrer fordelingen av elektrontettheten inne i enhetscellen tetraedrisk interstitielt karbonatom. Nivået på de avbildede isooverflatene er det samme =1,25

Lysbilde 18

Ledige stillinger i kovalente forbindelser Fraværet av et atom på et gittersted skaper en punktdefekt som en ledighet: Konfigurasjon av en ledig stilling og divakans i diamant. Mønsteret av forskyvninger skiller seg fra forskyvningene for interstitielle atomer i retning, vanligvis det umiddelbare miljøet mot et tomt sted. I forbindelser av ionisk type dannes ledige stillinger i par, som er en energimessig gunstigere konfigurasjon for en gitt struktur (Schottky-defekt). Behovet for å opprettholde nøytralitet gjenspeiles. Denne typen defekter viser seg gunstigere jo høyere ionisiteten til bindingen er, for eksempel i NaCl. Merk også at i YBa2Cu3O7 type HTSC observeres bindingen å være delvis ionisk.

Lysbilde 19

Det er ikke noe atom i det tilsvarende stedet, noe som fører til en forstyrrelse i fordelingen av elektrontettheten inne i enhetscellen. Enkelt ledig plass i diamant Fordeling av elektrontetthet i en ideell enhetscelle av diamant. Nivået på de avbildede isooverflatene er det samme =1,25

Lysbilde 20

Lysbilde 21

Modell for dannelse av ledig stilling i enkle stoffer Følgende mekanisme for dannelse av ledig stilling kan foreslås. Atomet bringes til krystallgrensen, mens antallet partikler i systemet ikke endres. Faktisk, ganske enkelt å fjerne et atom fra et krystallgittersted til uendelig endrer antallet partikler i systemet, og for å beregne det termodynamiske potensialet til systemet vil det være nødvendig å ta hensyn til dette faktum. I nærheten av den dannede ledigheten vil avslapning av atomer forekomme (røde piler i figuren). Vi vil anta at to atomer av et stoff interagerer med hverandre gjennom et parvis interaksjonspotensial, som ikke er avhengig av miljøet til atomene.

Lysbilde 22

Energien til et atom lokalisert i et krystallsted er lik Esite=z1*φ(R*), hvor antallet nærmeste naboer er i størrelsesorden z1 6 - 8, R* er likevektsavstanden mellom atomer, et estimat på potensialet φ(R*) kan for eksempel lages fra sublimeringsenergien til stoffet, som gir φ(R*) ≈ 0,2 ÷ 0,3eV. Dermed er energiverdien til et atom på et gittersted Esite ~ 1,6 ÷ 2,4 eV. Slik energi må brukes på å bryte bindinger under dannelsen av en ledig stilling. Imidlertid er det fjernede atomet plassert på overflaten, derfor kan vi anta at halvparten av de brutte bindingene er gjenopprettet. Energien til et atom på overflaten er lik. Dermed er energien til ledighetsdannelse Ef ≈ 0,8 ÷ 1,2 eV. Migrering av ledige stillinger La oss vurdere migreringen av ledige stillinger. For at atom A skal hoppe til det tomme stedet der ledigheten er plassert, ser det ut til at han ikke trenger å overvinne barrieren, men dette er ikke tilfelle - bindingene må brytes. Beregning av ledighetsdannelsesenergi

Lysbilde 23

I tillegg, langs migrasjonsbanen til en ledig stilling (eller atom A), dukker det opp en energibarriere (energilinse), skapt av nærliggende atomer. Dette er tydeligst synlig i en tredimensjonal krystall. Antall nærmeste naboer i ABCD-seksjonen er vanligvis mindre enn på stedet, z2 = 4. Hvis vi antar at parpotensialet endres svakt, så er energibarrieren for ledig migrasjon. kan estimeres som Emγ ≈ 0,8 ÷ 1 eV.

Lysbilde 24

Dilatasjonsvolum av en ledig plass La ω0 være volumet per ett atom av faststoffet. Når en ledig stilling dannes, vil overflaten bli forvrengt på grunn av avslapning, og volumet til krystall V vil endre seg. Estimater gir omtrentlig δV(1)= - 0,1ω0, dette resultatet ble oppnådd basert på resultatene av dilatasjonseksperimenter assosiert med introduksjonen av mange ledige stillinger i prøven. Legg merke til at i matrisen som omgir området for vakansdannelse er det en liten økning i tettheten til stoffet på grunn av avslapning. I mekanismen for ledighetsdannelse diskutert ovenfor, kommer atomet til overflaten. Den tilhørende ytterligere volumendringen er δV(2)=+ω0. Dermed er den totale endringen i volumet til krystallen lik: δV=δV(1) + δV(2) =+0,9ω0 Endring i volum

Lysbilde 1

Faststofffysikk. Del 2.

Ekte krystaller (akkurat som "ekte gutter") er ideelle krystaller som vokser på feil steder.

Lysbilde 2

Krystallvekst Du vet selvfølgelig at vann (ved normalt trykk) fryser ved 0°. Hvis temperaturen synker, vil vannet ved nøyaktig 0° begynne å fryse og bli til iskrystaller. Inntil alt vannet fryser, vil temperaturen ikke synke ytterligere. Hvis du tvert imot varmer en iskrystall til 0°, forblir den uendret. Så snart temperaturen når 0°, vil krystallen umiddelbart begynne å smelte. Uansett hvor mye mer vi varmer opp, vil ikke temperaturen på isen øke før all isen har smeltet. Først når hele krystallen, etter å ha smeltet, blir til vann (med andre ord, til strukturen til alle partikler går i oppløsning), kan temperaturen på vannet begynne å stige. Ethvert krystallinsk stoff smelter og krystalliserer ved et strengt definert smeltepunkt: jern - ved 1530°, tinn - ved 232°, kvarts - ved 1713°, kvikksølv - ved minus 38°. Ikke-krystallinske faste stoffer har ikke et konstant smeltepunkt (og derfor ingen krystalliseringstemperatur når de oppvarmes, mykner de gradvis).

Lysbilde 3

Metoder for dyrking av krystaller En av dem er å avkjøle en mettet varm løsning. Ved hver temperatur kan ikke mer enn en viss mengde stoff løses opp i en gitt mengde løsemiddel (for eksempel vann). Hvis løsningen avkjøles sakte, dannes få kjerner, og etter hvert som de vokser på alle sider, blir de til vakre krystaller med vanlig form. Med rask avkjøling dannes mange kjerner, og partikler fra løsningen vil "falle" ned på overflaten av de voksende krystallene, som erter fra en revet pose; Selvfølgelig vil dette ikke produsere de riktige krystallene, fordi partiklene i løsningen kanskje rett og slett ikke har tid til å "sette seg" på overflaten av krystallen på riktig plass. En annen metode for å oppnå krystaller er å gradvis fjerne vann fra en mettet løsning. Det "overflødige" stoffet krystalliserer seg. Og i dette tilfellet, jo langsommere vannet fordamper, jo bedre oppnås krystallene.

Lysbilde 4

Den tredje metoden er å dyrke krystaller fra smeltede stoffer ved sakte å avkjøle væsken. Når du bruker alle metoder, oppnås de beste resultatene hvis et frø brukes - en liten krystall av riktig form, som legges i en løsning eller smelter. På denne måten oppnås for eksempel rubinkrystaller. Å dyrke edelstenskrystaller skjer veldig sakte, noen ganger over år. Hvis du akselererer krystallisering, vil du i stedet for én krystall få en masse små. Denne metoden kan bare utføres i spesielle enheter. For tiden er mer enn halvparten av de teknisk viktige krystallene dyrket fra smelte. En av de mest brukte industrielle metodene for å produsere halvledere og andre enkeltkrystaller er Czochralski-metoden. Utviklet i 1918. Utgangsmaterialet (ladning) fylles i en ildfast digel og varmes opp til smeltet tilstand. Deretter installeres frøkrystallen i form av en tynn stang med en diameter på flere mm i en avkjølt krystallholder og senkes ned i smelten

Lysbilde 5

Jan Czochralski (1885 - 1953) - polsk kjemiker, oppfinner av den nå viden kjente metoden for å dyrke enkeltkrystaller fra en smelte ved å trekke dem oppover fra en fri overflate, som senere ble oppkalt etter ham. I følge noen beretninger oppdaget Czochralski sin berømte metode i 1916 da han ved et uhell mistet pennen sin i en digel av smeltet tinn. Da han trakk pennen ut av smeltedigelen, oppdaget han at en tynn tråd med frossen tinn slepte bak metallpennen. Ved å erstatte pennespissen med et mikroskopisk metallstykke, ble Czochralski overbevist om at metalltråden som ble dannet hadde en monokrystallinsk struktur. I eksperimenter utført av Czochralski ble det oppnådd enkeltkrystaller som målte omtrent en millimeter i diameter og opptil 150 cm i lengde.

Lysbilde 6

Krystalldefekter I beskrivelsen av strukturen til krystaller har vi så langt brukt deres ideelle modeller. Forskjellen mellom ekte krystaller og ideelle er at ekte krystaller ikke har et vanlig krystallgitter. De inneholder alltid brudd på streng periodisitet i arrangementet av atomer. Disse uregelmessighetene kalles krystalldefekter. Defekter dannes under veksten av krystaller under påvirkning av termisk bevegelse av molekyler, mekanisk påvirkning, bestråling av partikkelstrømmer, på grunn av tilstedeværelsen av urenheter, etc. Krystalldefekter er ethvert brudd på translasjonssymmetrien til krystallen - den ideelle periodisiteten av krystallgitteret. Det finnes flere typer feil basert på størrelse. Det er nemlig nulldimensjonale (punkt), endimensjonale (lineære), todimensjonale (flat) og tredimensjonale (volumetriske) defekter.

Lysbilde 7

Nulldimensjonale (eller punkt-) defekter i en krystall inkluderer alle defekter som er forbundet med forskyvning eller erstatning av en liten gruppe atomer (iboende punktdefekter), så vel som med urenheter. De oppstår under oppvarming, doping, under krystallvekst og som et resultat av strålingseksponering. De kan også introduseres som et resultat av implantasjon. Egenskapene til slike defekter og mekanismene for deres dannelse er best studert, inkludert bevegelse, interaksjon, utslettelse og fordampning. Defekter, kalt punktdefekter, oppstår når et av atomene i krystallgitteret erstattes av et urenhetsatom (a), innføring av et atom mellom gittersteder (b), eller som et resultat av dannelsen av ledige plasser - fraværet av et atom i et av gitterstedene (c).

Lysbilde 8

Substitusjonelle urenheter, som erstatter partikler av hovedstoffet på gittersteder, introduseres lettere i gitteret, jo nærmere de atomære (ioniske) radiene til urenheten og hovedstoffet er. Interstitielle urenheter opptar mellomrom, og dessuten, jo lettere, jo større er volumet av rom mellom atomer. De introduserte atomene eller ionene som skiller seg fra hovedatomene i størrelse eller valens, kan enten være iboende eller urenhetsatomer eller -ioner. Hvis et fremmed atom er i en node, så er dette en substitusjonsdefekt hvis det er i et mellomrom, så er det et interstitielt atom. Likevektsposisjonene okkupert av interstitielle atomer avhenger av materialet og gittertypen. Naboatomer på stedene til krystallgitteret er litt forskjøvet, noe som forårsaker liten deformasjon. Ledige stillinger er den viktigste typen punktfeil; de akselererer alle prosesser knyttet til bevegelse av atomer: diffusjon, sintring av pulver, etc. I teknisk rene metaller øker punktfeil den elektriske motstanden, men har nesten ingen effekt på mekaniske egenskaper. Bare ved høye konsentrasjoner av defekter i bestrålte metaller reduseres duktiliteten og andre egenskaper endres merkbart.

Lysbilde 9

Hvordan kan finne feil oppstå? I henhold til de grunnleggende prinsippene for statistisk fysikk, selv i tilfellet når den gjennomsnittlige kinetiske energien til atomer er veldig liten, vil det alltid være et visst antall atomer med høyere energi, tilstrekkelig til at atomet forlater krystallgitteret. Ved å bevege seg rundt krystallen og gi deler av energien til andre atomer, kan et slikt atom være plassert i mellomrom. Kombinasjonen av et atom i et interstitielt sted og en ledig stilling kalles en Frenkel-defekt (eller Frenkel-par). Vakansen og det interstitielle atomet er forbundet med betydelige elastiske krefter.

Frenkel-defekter oppstår lett i krystaller som inneholder betydelige interatomiske hulrom. Eksempler på slike krystaller er stoffer med struktur av diamant eller steinsalt.

Lysbilde 10

Schottky-punktdefekter finnes hovedsakelig i tettpakkede krystaller, hvor dannelsen av interstitielle atomer er vanskelig eller energetisk ugunstig. Noen atomer fra overflatenærlaget, som et resultat av termisk bevegelse, kan forlate krystallen til overflaten (fig.). Den ledige plassen på det fraflyttede stedet kan deretter migrere inn i hoveddelen av krystallen. Dannelsen av Schottky-defekter reduserer tettheten til krystallen, siden volumet øker med en konstant masse, mens med dannelsen av Frenkel-defekter forblir tettheten uendret, siden volumet til hele kroppen ikke endres.

Walter Hermann Schottky (1886 - 1976) - kjent tysk fysiker, oppfant elektronrøret med et skjermingsnett i 1915 og tetroden i 1919. I 1938 formulerte Schottky en teori som forutså Schottky-effekten, nå brukt i Schottky-dioder.

Lysbilde 11

Selv om de representerer en mindre enn perfekt, ordnet og noe monoton sekvens av alternerende positive og negative ioner, inneholder ekte krystaller et bredt spekter av interessante punktdefekter, som, som vi vil se, i stor grad kan påvirke mange av egenskapene deres. Disse er, som vi allerede har sagt, iboende defekter, hvis konsentrasjon avhenger av temperatur, og i tillegg ikke-iboende, urenhetsdefekter som enten er tilstede ved en tilfeldighet eller tilsatt målrettet under krystallvekst. Alle disse defektene kan betraktes som kvasipartikler. Som ekte partikler i et vakuum kan de bevege seg og samhandle med hverandre over lange avstander for å danne mer komplekse strukturer.

Lysbilde 12

Transportprosesser i krystaller Man tror ofte feilaktig at slike velkjente alkalihalogenidforbindelser som natriumklorid og kaliumklorid er isolatorer, men faktisk er de relativt gode ledere, dette gjelder spesielt ved høye temperaturer. Det faktum at ledningsevne eksisterer, samt det faktum at både selvdiffusjon og diffusjon av urenheter forekommer ganske lett i ioniske faste stoffer, tjener som ugjendrivelig bevis på tilstedeværelsen av punktdefekter i dem. Mange av disse materialene har ikke elektronisk ledningsevne – målinger viser at ledningsevnen skyldes migrering av ioner. Men uten eksistensen av ledige stillinger eller interstitielle atomer, er bevegelsen av ioner i en slik klassisk ionisk leder umulig: dette vil kreve for mye energi. Takket være defekter og deres bevegelser (fig.), blir prosessen med ionebevegelse til en utveksling av steder mellom ionet og defekten; i dette tilfellet reduseres mengden energi som kreves.

Lysbilde 13

Diffusjon (latin diffusio - spredning, spredning, spredning, interaksjon) er prosessen med gjensidig penetrasjon av molekyler av ett stoff mellom molekylene til et annet, noe som fører til spontan utjevning av konsentrasjonene deres gjennom det okkuperte volumet. I noen situasjoner har et av stoffene allerede en utjevnet konsentrasjon og de snakker om diffusjon av ett stoff i et annet. I dette tilfellet skjer overføringen av et stoff fra et område med høy konsentrasjon til et område med lav konsentrasjon (langs en konsentrasjonsgradient). I krystaller kan både gitterets egne atomer diffundere (selvdiffusjon eller homodifusjon), og atomer av andre kjemiske elementer oppløst i stoffet (urenhet eller heterodifusjon), samt punktdefekter i krystallstrukturen - interstitielle atomer og ledige stillinger.

Lysbilde 14

Diffusjon er en prosess på molekylært nivå og bestemmes av den tilfeldige naturen til bevegelsen til individuelle molekyler. Diffusjonshastigheten er derfor proporsjonal med gjennomsnittshastigheten til molekylene. Hvis massen til ett molekyl i en blanding av gasser er fire ganger større enn et annet, beveger et slikt molekyl seg dobbelt så sakte som bevegelsen i en ren gass. Følgelig er dens diffusjonshastighet også lavere. Denne forskjellen i diffusjonshastigheten til lette og tunge molekyler brukes til å skille stoffer med ulik molekylvekt. Et eksempel er separasjon av isotoper. Hvis en gass som inneholder to isotoper føres gjennom en porøs membran, passerer de lettere isotoper gjennom membranen raskere enn de tyngre. For bedre separasjon utføres prosessen i flere trinn. Denne prosessen har blitt mye brukt for å skille uranisotoper (separasjon av 235U fra bulken 238U). (For tiden, for å skille uranisotoper, brukes sentrifugeringsmetoden, der gass som inneholder uran roteres veldig raskt, og på grunn av forskjellen i massen til molekylene separeres isotopene, som deretter omdannes tilbake til metallet. )

Lysbilde 15

Diffusjon adlyder fenomenologisk sett Ficks lover. Ficks 1. lov fastslår proporsjonaliteten til diffusjonsfluksen av partikler til deres konsentrasjonsgradient; Ficks 2. lov beskriver endringen i konsentrasjon på grunn av diffusjon. Diffusjonsfenomenet ble først studert av Würzburg-forskeren A. Fick ved å bruke eksempelet med saltløsninger. Fick, gjennom nøye forskning, viste at den frie diffusjonen av saltløsninger skjer i henhold til lover som er fullstendig analoge med lovene for varmespredning i faste stoffer

Lysbilde 16

Diffusjon i krystaller Noen generelle krystallografiske trekk ved diffusjonsprosessen er ganske åpenbare hvis vi tar i betraktning krystallens geometri. For det første skjer diffusjon nesten alltid gradvis, med lengden på de elementære "trinnene" i størrelsesorden en atomdiameter, det vil si flere ångstrøm. Atomer beveger seg ved å hoppe fra en posisjon i gitteret til en annen. Totalt sett sørger disse elementære hoppene for bevegelse av atomer over lange avstander. La oss finne ut hva mekanismen til individuelle atomhopp er. Det er flere mulige ordninger: bevegelse av ledige stillinger, bevegelse av interstitielle atomer, eller en metode for gjensidig utveksling av steder mellom atomer (fig.).

Atombevegelser som fører til diffusjon: a – bevegelse av ledige stillinger; b - bevegelse av interstitielle atomer; c - utveksling av steder av to atomer; d – ringbytte av steder med fire atomer

Lysbilde 17

Basert på ideen om punktdefekter i krystaller, foreslo Frenkel to hovedmekanismer for diffusjon i faste stoffer: tomgang (fig. a: et atom beveger seg, bytter plass med en ledig plass) og interstitiell (fig. b: et atom beveger seg langs mellomrom). ). Den andre metoden flytter små (i størrelse) urenhetsatomer, og den første metoden flytter resten: dette er den vanligste diffusjonsmekanismen.

Yakov Ilyich Frenkel (1894 - 1952) - sovjetisk vitenskapsmann, teoretisk fysiker, en av grunnleggerne av faststofffysikk. Fra 1921 til slutten av livet jobbet Frenkel ved Leningrad Institute of Physics and Technology. Siden 1922 ga Frenkel ut en ny bok bokstavelig talt hvert år. Han ble forfatteren av det første kurset om teoretisk fysikk i USSR.

Lysbilde 18

Dislokasjoner En dislokasjon er en lineær defekt i krystallgitteret til et fast stoff, som representerer tilstedeværelsen av et "ekstra" atomært halvplan. Den enkleste visuelle modellen av en kantdislokasjon er en bok der en del har blitt revet av fra en av de indre sidene. Så, hvis sidene i en bok sammenlignes med atomplan, danner kanten av den revne delen av siden en dislokasjonslinje. Det er skrue- og kantdislokasjoner.

Lysbilde 19

For at en dislokasjon skal dannes i en ideell krystall, er det nødvendig å produsere et skifte i en del av glideplanet

Dislokasjonstettheten varierer over et bredt område og avhenger av materialets tilstand. Etter forsiktig gløding er dislokasjonstettheten lav i krystaller med sterkt deformert krystallgitter, dislokasjonstettheten når svært høye verdier.

Lysbilde 20

Dislokasjonstettheten bestemmer i stor grad plastisiteten og styrken til materialet. Hvis tettheten er mindre enn en viss verdi, øker motstanden mot deformasjon kraftig, og styrken nærmer seg den teoretiske. Dermed oppnås en økning i styrke ved å lage et metall med en defektfri struktur, og også på den annen side ved å øke tettheten av dislokasjoner, noe som hindrer deres bevegelse.

Lysbilde 21

Under plastisk deformasjon beveger en del av krystallen seg i forhold til en annen under påvirkning av tangentielle spenninger. Når belastningene fjernes, gjenstår skjæringen, d.v.s. plastisk deformasjon oppstår. Påføringen av en skjærspenning fører til bevegelse av en kantdislokasjon, og forskyvningen av dens akse med én translasjon betyr en endring i halvplanet som for tiden danner dislokasjonen. Bevegelsen av en kantdislokasjon gjennom hele krystallen vil føre til en forskyvning av en del av krystallen med én interatomisk avstand. Resultatet av dette er plastisk deformasjon av krystallen (fig.), det vil si at deler av krystallen forskyves i forhold til hverandre med én translasjon.

Et metall i en stresset tilstand opplever alltid normale og tangentielle spenninger under enhver type belastning. En økning i normal- og skjærspenninger fører til ulike konsekvenser. En økning i normale spenninger fører til sprøbrudd. Plastisk deformasjon er forårsaket av tangentielle spenninger.

Lysbilde 22

En økning i styrke oppnås ved å lage et metall med en defektfri struktur, samt ved å øke tettheten av dislokasjoner, noe som hindrer deres bevegelse. For tiden er det laget defektfrie krystaller - værhår opp til 2 mm lange, 0,5...20 mikron tykke - "whiskers" med styrke nær teoretisk. Dislokasjoner påvirker ikke bare styrke og duktilitet, men også andre egenskaper til krystaller. Når tettheten av dislokasjoner øker, endres deres optiske egenskaper og den elektriske motstanden til metallet øker. Dislokasjoner øker den gjennomsnittlige diffusjonshastigheten i krystallen, akselererer aldring og andre prosesser, reduserer kjemisk motstand, derfor, som et resultat av å behandle overflaten av krystallen med spesielle stoffer, dannes groper på punktene der dislokasjoner dukker opp.

Lysbilde 23

Epitaksi er den naturlige veksten av ett krystallinsk materiale på et annet (fra gresk επι - på og ταξισ - orden), dvs. den orienterte veksten av en krystall på overflaten av en annen (substrat). Minimumsenergien forbrukes hvis krystallen vokser langs en skrueforskyvning.

Lysbilde 24

Takk for oppmerksomheten!

Diffusjon er prosessen med å overføre materie eller energi fra et område med høy konsentrasjon til et område med lav konsentrasjon. Diffusjon er en prosess på molekylært nivå og bestemmes av den tilfeldige naturen til bevegelsen til individuelle molekyler. Diffusjon i krystaller er en prosess der atomer kan bevege seg fra ett sted til et annet. Feltionmikroskopi er en metode for direkte observasjon av krystallgitteret til metaller og legeringer med atomoppløsning.

Diffusjonsprosesser i faste stoffer avhenger betydelig av strukturen til en gitt krystall og av defekter i krystallstrukturen. Defekter som oppstår i et stoff letter enten atombevegelser eller hindrer dem, og fungerer som feller for migrerende atomer.

DIFFUSJON – PROSESSEN MED TILFELDIG GANG Første Ficks lov: Frekvensen av atomhopp: n = n 0 e - Q / kT, der Q er aktiveringsenergien til diffusjon, k er Boltzmanns konstant, n 0 er en konstant. Diffusjonskoeffisienten D avhenger av temperaturen til krystallen i henhold til Arrhenius-loven: D = D 0 e - Q / kT Aktiveringsenergien til diffusjon avhenger av både dannelsesenergien til en spesifikk defekt E f og aktiveringsenergien til dens migrasjon E m: Q = E f + E m.

ATOMISK DIFFUSJONSMEKANISMER Mekanisme for utveksling av atomer på steder; ring mekanisme; mekanisme for direkte bevegelse av atomer langs mellomrom; mekanisme for indirekte bevegelse av den interstitielle konfigurasjonen; mengden mekanisme; stillingsmekanisme; avviksmekanisme; mekanismer for diffusjon langs dislokasjoner; mekanismer for diffusjon langs korngrenser i polykrystaller.

LEDIGHETMEKANISMER Aktiveringsenergien for migrering ved ledighetsmekanismen for metaller som kobber, sølv, jern osv. er omtrent eV (energien ved ledighetsdannelse er av samme størrelsesorden). Den enkleste stillingsklyngen er sammenslåingen av to ledige stillinger - to ledige stillinger (2V). Energien som kreves for slik bevegelse er ofte mindre enn én ledig stilling.

INTERSTITALMEKANISMER Utseendet til interstitielle atomer i krystaller kan skyldes metoden for fremstilling eller drift av materialet. Interstitielle atomer kan deles inn i krystaller i indre og urenhet (fremmede) interstitielle atomer. Fremmede (urenhets)atomer danner også i de fleste tilfeller manualer med egne atomer, men de kalles blandede. Overfloden av interstitielle konfigurasjoner gir opphav til en overflod av migrasjonsmekanismer som bruker interstitielle atomer.

Den ledige plassen skal tiltrekkes til kompresjonsområdet over den ytterste atomraden i det overskytende halvplanet, og det interstitielle atomet skal tiltrekkes til ekspansjonsområdet som ligger under halvplanet. De enkleste dislokasjonene er en defekt i form av et ufullstendig atomhalvplan inne i krystallen.

Diffusjon gjennom defekte steder i krystaller har spesifikke egenskaper. For det første skjer det lettere enn diffusjon gjennom feilfrie mekanismer. Men dens kilder er ikke ubegrensede: konsentrasjonen av defekter i diffusjonsprosessen avtar nesten alltid på grunn av utslettelse av motsatte defekter og avgang av defekter til de såkalte vaskene. Men hvis konsentrasjonen av defekter er høy, øker deres rolle i diffusjonen så mye at det fører til såkalt akselerert diffusjon, akselererte fasestrukturelle transformasjoner i materialer, akselerert kryp av materialer under belastning, etc. effekter.

KONKLUSJON Listen over mekanismer for migrasjon gjennom defekte steder i krystaller blir stadig oppdatert ettersom studiet av defekter i krystallstrukturen til materie blir mer og mer dyptgående. Inkluderingen av en bestemt mekanisme i diffusjonsprosessen avhenger av mange forhold: mobiliteten til en gitt defekt, dens konsentrasjon, krystalltemperatur og andre faktorer.