Точечные дефекты (несовершенства на атомном уровне) в твердом теле можно разделить на две основные категории: примеси (чужеродные атомы) и собственные точечные дефекты. Точечными дефектами также называют и более сложные образования, состоящие либо из очень близко расположенных примесных атомов нескольких сортов, либо из примесных атомов, связанных с собственными точечными дефектами. На первый взгляд это противоречит самому понятию «точечного» дефекта. Однако выбор терминологии основан на том, что максимальный размер любого точечного дефекта в каждом направлении не должен превышать нескольких межатомных расстояний. Напротив, линейные или двумерные дефекты могут простираться на миллионы межатомных расстояний в одном или двух направлениях. Присутствие примесных атомов сильно влияет на электрические, оптические, магнитные, тепловые и механические свойства твердых тел. В частности, в гл. 4 мы покажем, сколь большое влияние оказывают примеси на свойства неметаллических проводников. Следует заметить, что расчет, основанный на за- 1.6. Дефекты кристаллической решетки 103 Рис. 1.53. Образование в кристаллической решетке вакансии (а) и междо- узельного атома (б). конах электростатики с привлечением термодинамического закона действующих масс, показывает, что равновесная концентрация собственных дефектов может зависеть от концентрации примесей. Исчерпывающий обзор взаимодействий собственных и примесных дефектов содержится в книге Крёгера (см. литературу в конце настоящей главы). Простейшим случаем собственного дефекта является вакансия, т. е. отсутствие атома в узле кристаллической решетки и наличие дополнительного атома на поверхности кристалла (рис. 1.53, а), причем общее число атомов в кристалле не изменяется. Если предположить, что атомы в кристалле жестко закреплены, то для удаления атома из узла кристаллической решетки необходимо затратить энергию Ev\ для помещения же этого атома на поверхности кристалла выделяется энергия Es. Таким образом, энергия образования вакансии в модели жесткой решетки равна Ev—Es, которая, как правило, составляет примерно 10 эВ на вакансию (см. задачу 1.20). Поскольку реальная решетка не является идеально жесткой, некоторая доля энергии Ev—Es компенсируется за счет релаксации решетки: все соседние с пустым узлом атомы немного сдвигаются. При образовании вакансии в ионном соединении в объеме, окружающем вакантный узел, должно выполняться условие электронейтральности. 104 Гл. 1. Кристаллическая структура и форма твердых тел Дефекты в кристаллах галогенидов щелочных металлов, называемые «центрами окраски» (простейшими из них являются ^-центры), обусловлены наличием отдельных вакансий или близко расположенных групп вакансий. Специфические электронные и оптические свойства этих дефектов определяются условиями электростатического равновесия. В книге Мотта и Герни (см. примечание 12) дан обзор работ, относящихся к начальному этапу исследований таких дефектов. Изучение этих свойств дефектов продолжается и в настоящее время. В ионных твердых телах электростатическая нейтральность всего кристалла сохраняется автоматически, если числа вакансий для атомов различных сортов находятся в определенной пропорции, а именно в такой, что сохраняется химическая стехиометрия. В этом случае говорят о разупорядочении типа Шоттки. При таком разупорядочении в RbF число пустых мест, соответствующих ионам Rb+, оказывается тем же, что и для ионов F~, в то время как в СигО для выполнения стехиометри- ческого баланса необходимо, чтобы число вакансий для ионов меди в два раза превышало число вакансий для атомов кислорода. Обычно разупорядочение типа Шоттки реализуется только в бинарных соединениях, причем с соотношением 1 : 1 между компонентами, и под дефектом Шоттки мы понимаем в этом случае наличие пары вакансий противоположного знака. Два компонента дефекта Шоттки не обязательно находятся в непосредственной близости друг от друга. Междоузельный атом (рис. 1.53, б)—это атом (или ион), который с поверхности попадает внутрь кристалла и размещается в некотором промежуточном положении в решетке. При этом вблизи междоузельного атома возникают сжатия и растяжения кристаллической решетки. Внедрение атомов в плотно упакованные структуры, такие, как медь (г. ц. к.) или цинк (г.п.у.), практически невозможно,зато в менее плотных решетках, например типа алмаза, существует много позиций, где мог бы разместиться атом внедрения (собственный или примесный), вызвав при этом лишь несущественное смещение ближайших соседей. Одновременное внедрение положительных и отрицательных ионов в стехиометрических пропорциях маловероятно, и поэтому для такого дефекта нет даже специального термина. Например, в решетке NaCl ионы Na+ могут найти свободное место в междоузлиях решетки, тогда как ионы С1~ для этого слишком велики. Дефект типа Френкеля состоит из вакансии и междоузельного атома того же сорта (при этом обеспечивается электростатическая нейтральность и сохранение стехиометрии). Раз- упорядочение типа Френкеля может произойти либо при установлении теплового равновесия, либо при бомбардировке кри- 1.6. Дефекты кристаллической решетки 105 сталла ядерными частицами. Значительная часть исследований радиационных повреждений в твердых телах35 связана главным образом с изучением возникновения и отжига дефектов типа Френкеля. Для разупорядочения, известного под названием антиструк- турного, характерно такое расположение атомов в соединении, при котором атомы одного сорта занимают места, предназначенные для атомов другого сорта. Антиструктурное разупоря- дочение в кристалле InSb не нарушает стехиометрии, если число атомов индия, занимающих позиции атомов сурьмы, равно числу атомов сурьмы, расположенных в позициях атомов индия. Антиструктурные дефекты возникают только тогда, когда размеры атомов двух сортов достаточно близки. В этом случае возникают причудливые образования — комплексы с неправильным расположением атомов. Эти комплексы занимают сравнительно малую область в кристалле и содержат от пятидесяти до ста атомов.
Ви переглядаєте статтю (реферат): «Точечные дефекты» з дисципліни «Фізика твердого тіла»
