ТИПЫ ТОЧЕЧНЫХ ДЕФЕКТОВ

Дефекты Шоттки и Френкеля

Простейшим дефектом кристаллической решетки является вакансия, представляющая собой узел решетки, в котором отсутствует атом. Такой тип дефекта иногда называют дефектом Шоттки. Его можно создать, перенеся атом из узла кристаллической решетки на поверхность твердого тела. Если же атом из узла кристаллической решетки перенести в междоузлие, то образуется так называемый дефект Френкеля. Схемы образования дефектов Шоттки и дефектов Френкеля представлены на рис. 1.22.

Схема образования дефектов Шоттки (переход 1) и дефектов Френкеля (переход 2) [21. С. 662]

Рис. 1.22. Схема образования дефектов Шоттки (переход 1) и дефектов Френкеля (переход 2) [21. С. 662]

Равновесные точечные дефекты. Образование вакансии, как и всякого другого дефекта, требует затраты определенной энергии. Из термодинамики известно, что условием равновесия для кристалла является состояние с минимальной энергией Гиббса G. При этом изменение энергии Гиббса при образовании дефектов происходит как за счет изменения внутренней энергии материала в результате образования дефекта, так и за счет изменения энтропии кристаллической решетки:

где AG — изменение энергии Гиббса при образовании в кристаллической решетке п вакансий; AU = п W, где W — энергия, необходимая для образования одной вакансии; Т — температура; AS — изменение энтропии кристалла при образовании в нем вакансий.

При образовании в кристалле вакансий первое слагаемое в выражении (1.1) увеличивается, однако при этом более сильно увеличивается энтропия кристалла. В итоге в кристалле устанавливается некоторая равновесная концентрация вакансий. Не останавливаясь на выводе этих соотношений, приведем выражения для равновесных значений концентрации дефектов Шоттки (ns) и Френкеля (nF):

где N и N] — соответственно число узлов и число междоузлий в кристаллической решетке; Ws и WF соответственно энергии образования дефектов Шоттки и дефектов Френкеля.

При образовании дефектов Шоттки атомы, удаляемые из узлов кристаллической решетки, перемещаются на поверхность образца и формируют новые узлы кристаллической решетки. Это приводит к увеличению длины образца. Однако параметр кристаллической решетки при этом практически не меняется. Если увеличивать температуру кристалла, то, вследствие увеличения амплитуды тепловых колебаний атомов в узлах кристаллической решетки, параметр кристаллической решетки будет увеличиваться. Однако удлинение образца будет возрастать сильнее из-за образования в кристалле дефектов Шоттки в соответствии с формулой (1.2а).

Рисунок 1.23, где приведены температурные зависимости относительного изменения параметра кристаллической решетки Аа/а и относительного удлинения AL/L образца алюминия, иллюстрирует данный эффект. Наблюдаемая разность показанных величин хорошо согласуется с выражением (1.2а) и может быть использована для определения величины энергии образования дефектов Шоттки в кристалле.

При образовании дефектов Френкеля междоузельный атом занимает некоторое пространство, что приводит к локальному расширению кристаллической решетки. Однако вблизи вакансии, которая

зз

сопутствует междоузельному атому, происходит локальное сжатие кристаллической решетки. Точные расчеты показывают, что результирующее изменение объема и линейных размеров кристалла будет равно нулю.

Температурные зависимости относительного изменения параметра кристаллической решетки Аа/а и удлинения образца AL/L алюминия [21. С. 662]

Рис. 1.23. Температурные зависимости относительного изменения параметра кристаллической решетки Аа/а и удлинения образца AL/L алюминия [21. С. 662]

Неравновесные точечные дефекты. Хотя равновесная концентрация точечных дефектов достигает заметных величин при высоких температурах, близких к температуре плавления кристалла (до 0,01 %), практически концентрация дефектов, значительно превосходящая равновесную концентрацию, может быть создана в кристалле и при сравнительно низких температурах. В этом случае говорят о наличии в твердом теле неравновесных точечных дефектов.

Известно четыре основных способа создания в твердом теле неравновесных точечных дефектов:

  • • облучение твердого тела элементарными частицами с большой кинетической энергией;
  • • закалка с высокой температуры, когда концентрация дефектов, значительная при высокой температуре, как бы замораживается при быстром охлаждении твердого тела;
  • • пластическая деформация твердого тела при низкой температуре, при которой скорость установления равновесной концентрации дефектов мала;
  • • образование вакансий в некоторых типах соединений (ионных, интерметаллических) при отклонении состава соединения от стехиометрического состава. Такие вакансии называют точечными дефектами вычитания.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >