Учебник для 10 класса

ФИЗИКА

§ 8.5. Дефекты в кристаллах

• Описывая строение кристаллов, мы до сих пор пользовались их идеальными моделями. Отличие реальных кристаллов от идеальных состоит в том, что реальные кристаллы не обладают правильной кристаллической решеткой. В них всегда встречаются нарушения строгой периодичности в расположении атомов. Эти нарушения называют дефектами в кристаллах. Дефекты образуются в процессе роста кристаллов под влиянием теплового движения молекул, механических воздействий, облучения потоками частиц, из-за наличия примесей и пр.

Точечные дефекты

Дефекты, называемые точечными, возникают при замещении одного из атомов кристаллической решетки атомом примеси (рис. 8.19, а), внедрения атома между узлами решетки (рис. 8.19, б) или в результате образования вакансий — отсутствия атома в одном из узлов решетки (рис. 8.19, в).

Рис. 8.19

Наличие точечных дефектов в кристалле сильно влияет на его свойства. Так, примеси в кристаллической решетке германия или кремния, составляющие всего лишь 0,1%, практически мало влияют на структуру кристалла, но очень существенно — в тысячи раз — меняют его электрическое сопротивление. Подробнее об этом будет рассказано в дальнейшем.

Одним из экспериментальных подтверждений наличия точечных дефектов в кристаллах является диффузия. Около 100 лет назад, в 1896 г., английский металлург У. Робертс-Остен проделал такой опыт. Он крепко прижал тонкий золотой диск к отшлифованному торцу цилиндра из чистого свинца и поместил эту пару на 10 дней в печь при температуре 200 °С. Когда отжиг кончился, оказалось, что металлы разъединить уже невозможно. Тогда экспериментатор разрезал составной цилиндр вдоль оси и, рассмотрев срез под микроскопом, убедился, что золото и свинец проникли друг в друга; произошло перемешивание металлов, т.е. диффузия.

Но почему атомы одного металла проникают внутрь другого? Мы уже говорили, что тепловое движение атомов в твердых телах представляет собой малые колебания около положения равновесия — узла кристаллической решетки. Амплитуда этих колебаний много меньше расстояния между узлами. У атома, совершающего такие колебания, нет шансов попасть в соседний узел.

В свете всего сказанного взаимное перемешивание атомов золота и свинца — удивительный факт. Как они это делают? Каков механизм перемешивания атомов?

Ответ на этот вопрос дал один из основоположников физики твердого тела Я. И. Френкель. Основываясь на представлении о точечных дефектах в кристаллах, Френкель предложил два основных механизма диффузии в твердых телах: вакансионный (рис. 8.20, а: атом перемещается, обмениваясь местами с вакансией) и междоузельный (рис. 8.20, б: атом перемещается по междоузлиям). Вторым способом перемещаются маленькие (по размеру) атомы примесей, а первым — все остальные: это самый распространенный механизм диффузии.

Рис. 8.20

Дислокации

Гораздо большее влияние на свойства кристаллов оказывают линейные дефекты, при которых нарушения структуры сосредоточены вблизи протяженных линий. Такие дефекты называют дислокациями (от позднелатинского слова dislocatio — смещение).

Различают две основные дислокации — краевую и винтовую(1).

Краевая дислокация схематически показана на рисунке 8.21. Атомные плоскости (атомные слои) часто (например, в процессе роста кристалла) обрываются внутри кристалла. В результате образуется «лишняя» полуплоскость. Искажение, как видно из рисунка, сосредоточено в основном вблизи нижнего края полуплоскости «лишних» атомов. Под дислокацией здесь понимают линию, проходящую вдоль края «лишней» атомной полуплоскости.

Рис. 8.21

На расстоянии нескольких атомных диаметров от дислокационной линии искажения настолько малы, что в этих местах кристалл имеет почти совершенную форму. Искажения возле края «лишней» полуплоскости вызваны тем, что ближайшие атомы как бы «пытаются» согласовать свое расположение с резким обрывом «лишней» полуплоскости.

Любая царапинка на поверхности кристалла может стать причиной краевой дислокации. Действительно, царапинку на поверхности кристалла можно рассматривать как нехватку атомной плоскости. В результате теплового движения атомы из соседних областей могут перейти на поверхность, а дислокация тем самым переместится вовнутрь.

Винтовая дислокация

Более сложной является винтовая дислокация. Представим себе рассеченную наполовину кристаллическую решетку, в которой две примыкающие части (блоки) сдвинуты так, что одна часть смещена относительно другой на толщину одного слоя — периода решетки (рис. 8.22). Наибольшие искажения сосредоточены на оси. Область, примыкающая к этой оси, и называется спиральной или винтовой дислокацией.

Рис. 8.22

Почему данная дислокация получила такое название? Кристалл с дислокацией состоит не из параллельных атомных плоскостей, а скорее представляет собой одну плоскость, закрученную в виде винтовой лестницы. Крошечный наблюдатель, совершающий прогулку вокруг оси (см. рис. 8.22), начиная сверху, будет после каждого круга опускаться на один «этаж» ниже по покатой спирали. В данном случае дислокация является правовинтовой, потому что путь по спирали вниз все время поворачивает направо. Существуют и левосторонние дислокации.

Количество дислокаций характеризуется числом дислокационных линий, пересекающих в кристалле элемент поверхности площадью в 1 см². Это число меняется в широких пределах: от 10²-10³ см^-2 до 10¹¹-10¹² см^-2.

Выращивание кристаллов без дефектов — очень сложная задача, и она решена только для немногих веществ. Знание условий образования дефектов в кристаллах и способов их устранения имеет большое значение при использовании кристаллических тел (см. § 8.6). Винтовые дислокации играют решающую роль в росте кристаллов.

Рост кристаллов

Природа строит кристалл подобно тому, как каменщик складывает стенку из кирпичей. Из беспорядочной совокупности атомов или молекул жидкости (или газа) выбирается один за другим подходящий «кирпич» и пристраивается упорядоченным образом к строящейся стенке — кристаллу.

Вероятность присоединения атома к кристаллу тем больше, чем с большим количеством атомов он окажется связанным на поверхности кристалла. Если атом оседает на плоскую поверхность, то он будет связан только с одним-двумя атомами этой поверхности. Энергия такой связи мала, и, следовательно, мала вероятность присоединения атома к кристаллу. Тепловое движение препятствует этому.

Иное дело, если на поверхности кристалла имеется ступенька, образованная винтовой дислокацией. Здесь присоединяемый атом окажется связанным с несколькими другими и вероятность присоединения атома к кристаллу будет много больше. Именно благодаря винтовой дислокации при росте кристалла образуются все новые и новые слои путем присоединения атомов к уже имеющейся ступеньке. Дислокация чрезвычайно ускоряет рост кристаллов.

Дислокационная ступенька в результате присоединения новых атомов расширяется на поверхности кристалла. Однако при этом она загибается. Чтобы понять причину этого, рассмотрим цепочку конькобежцев, вращающуюся вокруг одного из концов цепочки. Для сохранения прямой линии конькобежцы на внешнем конце цепочки должны бежать быстрее тех, которые находятся ближе к неподвижному центру вращения. Ведь они обегают окружность большего радиуса.

В случае ступеньки кристалла ее внешний край не застраивается быстрее внутреннего, так как атомы присоединяются к ней в беспорядке с более или менее постоянной скоростью вдоль всей длины ступеньки. В таком случае по мере застройки продвижение внешней части ступеньки вокруг закрепленной оси (линии дислокации) происходит недостаточно быстро и ступенька изгибается, образуя спираль. Постепенное наращивание ступеньки новыми и новыми слоями атомов приводит к тому, что на грани кристалла образуется спиральная башенка. Центральная ее часть как бы ввинчивается в пространство, опережая в своем движении нижние ступеньки лестницы, которые со временем превращаются в завершенные атомные слои. На рисунке 8.23, а—г показаны последовательные стадии роста кристалла.

Рис. 8.23

Фотографии, полученные с помощью электронного микроскопа, подтверждают реальность спирального роста кристаллов. На рисунке 8.24 представлена микрофотография спиральных ступенек на поверхности кристалла карбида кремния.

Рис. 8.24

Зарождение кристалла облегчается при наличии в растворе или расплаве мельчайших инородных тел — пылинок и других частиц. В данном случае зародыши кристаллов образуются не путем объединения при случайных столкновениях атомов или молекул, а в результате осаждения атомов на твердых инородных телах, практически всегда присутствующих в расплаве, растворе или газе. Например, зародышами снежинок являются взвешенные в воздухе твердые пылинки, чаще всего мельчайшие кварцевые песчинки. Неправильная форма пылинки, на которой начинается зарождение кристалла, способствует возникновению в нем дислокации и резкому увеличению скорости роста кристалла.

Дефекты в кристаллах бывают точечными или линейными. Особо важное значение имеют линейные дефекты — дислокации. Винтовые дислокации определяют скорость роста кристаллов.

(1) В реальных условиях дислокация обычно представляет собой сочетание этих двух видов.