Дефекты кристаллической решетки (вакансии, дислокации)
Дефекты кристаллической решетки — это любые отклонения от идеального периодического строения кристалла как макроскопических, так и атомных размеров. Различают точечные, линейные, поверхностные и объемные дефекты.
Нередко они образуют целые сети, упорядоченные по объему кристалла. Дефекты оказывают существенное влияние на пластические и прочностные характеристики твердых тел, приводят к изменению электропроводности, теплопроводности, магнитных и оптических свойств.
Удивительной может показаться роль, которую дефекты играют в протекании основных физических процессов в твердых телах. Встречаясь сравнительно редко, именно они могут кардинально изменять макроскопические свойства кристалла.
Например, движение простейшего точечного дефекта — вакансии, соответствующей отсутствию атома в узле решетки, является главным механизмом диффузии в кристаллах. Внедрение в освободившееся место чужеродного для решетки атома «примеси» приводит к возникновению нового типа проводимости — примесной, которая может носить как электронный, так и дырочный характер.
Такого рода дефекты специально создают при изготовлении материалов для полупроводниковых приборов.
Количество вакансий в кристаллах металлов при комнатной температуре обычно не превышает 1012 атомов. При температуре, близкой к температуре плавления, их число увеличивается, но все равно остается меньшим 1-2% от числа атомов.
Плотность линейных дефектов оценивается по числу линий дислокаций, пересекающих площадку 1 м2 внутри кристалла. Плотность дислокаций меняется от 106 для монокристаллов до 1016 для сильно искаженных решеток в металлах, подвергнутых специальной механической обработке — наклепке.
Дислокации — это дефекты, представляющие собой линии, вдоль и вблизи которых нарушено правильное расположение атомарных плоскостей. Дислокации вызывают напряжение кристалла, причем величина напряжения убывает обратно пропорционально расстоянию от дислокации.
В результате между дислокациями возникают силы взаимодействия, приводящие к движению дефектов! Дислокации могут притягиваться и «аннигилировать» (ремонтировать друг друга) или отталкиваться и уходить в глубь решетки.
При перемещении дислокации в каждый момент времени разрываются и перераспределяются связи между атомами, расположенными вблизи линии дислокации. Это объясняет, почему пластическая деформация наступает для напряжений в тысячи раз меньших, чем было бы для идеального кристалла без дислокаций.
Изменяя число и подвижность дислокаций, можно варьировать «жесткость» кристалла, а следовательно, его механические свойства, такие как прочность и пластичность.
