Дефекты в кристаллах

Дефекты в кристаллах (от лат. defectus — недостаток, изъян), нарушения периодичности кристаллической структуры в реальных монокристаллах. В идеализированных структурах кристаллов атомы занимают строго определённые положения, образуя правильные трёхмерные решётки (кристаллические решётки). В реальных кристаллах (природных и искусственно выращенных) наблюдаются обычно различные отступления от правильного расположения атомов или ионов (или их групп). Такие нарушения могут быть либо атомарного масштаба, либо макроскопических размеров, заметные даже невооружённым глазом (см. Дефекты металлов). Помимо статических дефектов, существуют отклонения от идеальной решётки другого рода, связанные с тепловыми колебаниями частиц, составляющих решётку (динамические дефекты, см. Колебания кристаллической решётки).

Д. в к. образуются в процессе их роста (см. Кристаллизация), под влиянием тепловых, механических и электрических воздействий, а также при облучении нейтронами, электронами, рентгеновскими лучами, ультрафиолетовым излучением (радиационные дефекты) и т.п.

Различают точечные дефекты (нульмерные), линейные (одномерные), дефекты, образующие в кристалле поверхности (двумерные), и объёмные дефекты (трёхмерные). У одномерного дефекта в одном направлении размер значительно больше, чем расстояние между соседними одноимёнными атомами (параметр решётки), а в двух других направлениях — того же порядка. У двумерного дефекта в двух направлениях размеры больше, чем расстояние между ближайшими атомами, и т.д.

Точечные дефекты. Часть атомов или ионов может отсутствовать на местах, соответствующих идеальной схеме решётки. Такие дефектные места называются вакансиями. В кристаллах могут присутствовать чужеродные (примесные) атомы или ионы, замещая основные частицы, образующие кристалл, или внедряясь между ними. Точечными Д. в к. являются также собственные атомы или ионы, сместившиеся из нормальных положений (межузельные атомы и ионы), а также центры окраски — комбинации вакансий с электронами проводимости (F-центры), с примесными атомами и электронами проводимости (Z-центры) либо с дырками (V-центры). Центры окраски могут быть вызваны облучением кристаллов.

В ионных кристаллах, образованных частицами двух сортов (положительными и отрицательными), точечные дефекты возникают парами. Две вакансии противоположного знака образуют дефект по Шотки. Пара, состоящая из межузельного иона и оставленной им вакансии, называется дефектом по Френкелю.

Атомы в кристаллах располагаются на равном расстоянии друг от друга рядами, вытянутыми вдоль определённых кристаллографических направлений. Если один атом сместится из своего положения под ударом налетевшей частицы, вызванной облучением, он может, в свою очередь, сместить соседний атом и т.д. Таким образом смещённым окажется целый ряд атомов, причём на каком-то отрезке ряда атомов один атом окажется лишним. Такое нарушение в расположении атомов или ионов вдоль определённых направлений с появлением лишнего атома или иона на отдельном участке ряда называется краудионом. Облучение выводит из положения равновесия атомы или ионы и в др. направлениях, причём движение передаётся по эстафете всё более далеко отстоящим атомам. По мере удаления от места столкновения налетевшей частицы с атомом кристалла передача импульса оказывается локализованной (сфокусированной) вдоль наиболее плотно упакованных направлений. Такая эстафетная передача импульса налетевшей частицы ионам или атомам кристалла с постоянной фокусировкой импульса вдоль плотно упакованных атомных рядов называется фокусоном.

Линейные дефекты. В реальных кристаллах некоторые атомные плоскости могут обрываться. Края таких оборванных (лишних) плоскостей образуют краевые дислокации. Существуют также винтовые дислокации, связанные с закручиванием атомных плоскостей в виде винтовой лестницы, а также более сложные типы дислокаций. Иногда линейные Д. в к. образуются из скопления точечных дефектов, расположенных цепочками (см. Дислокации).

Двумерные дефекты. Такими Д. в к. являются границы между участками кристалла, повёрнутыми на разные (малые) углы по отношению друг к другу; границы двойников (см. Двойникование), дефекты упаковки (одноатомные двойниковые слои), границы электрических и магнитных доменов, антифазные границы в сплавах, границы включений другой фазы (например, мартенситной), границы зёрен (кристаллитов) в агрегатах кристаллов. Многие из поверхностных дефектов представляют собой ряды и сетки дислокаций, а совокупность таких сеток образует в поликристаллах границы зёрен; на этих границах собираются примесные атомы и инородные частицы.

Объёмные дефекты. К ним относятся скопления вакансий, образующие поры и каналы; частицы, оседающие на различных дефектах (декорирующие), например пузырьки газов, пузырьки маточного раствора; скопления примесей в виде секторов (песочных часов) и зон роста.

В кристаллах дефекты вызывают упругие искажения структуры, обусловливающие, в свою очередь, появление внутренних механических напряжений (см. Напряжение механическое). Например, точечные дефекты, взаимодействуя с дислокациями, упрочняют или разупрочняют кристаллы. Д. в к. влияют на спектры поглощения, спектры люминесценции, рассеяние света в кристалле и т.д., изменяют электропроводность, теплопроводность, сегнетоэлектрические свойства (см. Сегнетоэлектрики), магнитные свойства и т.п. Подвижность дислокаций определяет пластичность кристаллов, скопления дислокаций вызывают появление внутренних напряжений и разрушение кристаллов. Дислокации являются местами скопления примесей. Дислокации препятствуют процессам намагничивания и электрической поляризации благодаря взаимодействию с границами доменов. Объёмные дефекты снижают пластичность, влияют на прочность, на электрические, оптические и магнитные свойства кристалла так же, как и дислокации.

Лит.: Бюрен Х. Г. ван, Дефекты в кристаллах, пер. с англ., М., 1962; Халл Д., Введение в дислокации, пер. с англ., М., 1968; Вакансии и другие точечные дефекты в металлах и сплавах, М., 1961; Некоторые вопросы физики пластичности кристаллов, М., 1960; Гегузин Я. Е., Макроскопические дефекты в металлах, М., 1962; Методы и приборы для контроля качества кристаллов рубина, М., 1968; Шаскольская М. П., физическая кристаллография, М., 1972 [в печати].

М. В. Классен-Неклюдова, А. А. Урусовская.