13.2 Нульмерные (точечные) дефекты

К точечным дефектам относят:

- твердые растворы замещения, внедрения;

- дефекты по Шотки и Френкелю.

Дефекты по Шотки и Френкелю относятся к тепловым равновесным дефектам.

Атом или ион может переместиться из узла решетки, оставляя там вакансию, в междоузлие, удаленное от узла на некоторое расстояние. Пара вакансия-междоузельный атом (ион) называется дефектом по Френкелю. Если атом (ион) уходит за пределы решетки на поверхность кристалла, достраивая ее, то в решетке остаются только вакансии. Такой вид дефектов в виде незанятых (вакантных) узлов решетки называется дефектом по Шоттки.

Рисунок 13.1 – Дефекты по Френкелю (а) и по Шоттки (б)

Основная причина образования этих дефектов – тепловые колебания атомов, причем каждой температуре соответствует их определенная равновесная концентрация в кристалле.

Присутствие в кристалле точечных дефектов и способность их к миграции обуславливают ионную (электрическую) проводимость и процессы массопереноса (диффузии) в кристаллической решетке (в бездефектном идеальном кристалле процесс массопереноса практически невозможен).

В связи с этим, присутствие точечных дефектов сильно ускоряет такие важные в технологии силикатов процессы, как твердофазные реакции, спекание, рекристаллизация и т.д., скорость, которых определяется скоростью диффузии материальных частиц.

Образование дефектов по Шоттки приводит к росту объема кристалла (кристалл «распухает» за счет достраивания поверхности атомами, удаляющимися из узлов решетки) и понижению его плотности.

Точечные дефекты также возникают при облучении кристалла потоком частиц высоких энергий (в ядерных реакторах или космосе). Они выбивают атомы из положения равновесия и создают множество нарушений в структуре. Известно «распухание» урановых или графитовых стержней в ядерных реакторах (увеличение объема на 30%).

13.3 Линейные дефекты

Такие дефекты представляют собой нарушение правильности структуры вдоль линии (не обязательно прямой).

Нестабильные – цепочки вакансий и междоузельных атомов.

Устойчивые (стабильные) – дислокации, нарушающие правильное чередование атомных плоскостей. В отличие от точечных дефектов, нарушающих ближний порядок, дислокации нарушают дальний порядок в кристалле, нарушая всю его структуру.

Существуют два вида линейных дефектов: краевой и винтовой. И те, и другие возникают при сдвиге одной части кристалла относительно другой.

Кристалл с правильной решеткой можно изобразить в виде семейства параллельных атомных плоскостей; если одна из них обрывается внутри кристалла, ее край образует краевую дислокацию (рис. 13.2).

Рисунок 13.2 – Линейные дефекты

Экстраплоскость (оборванная внутри кристалла) действует как клин, создавая сильное искажение вдоль своего нижнего края. Сверху кристалл сжат, снизу растянут.

Краевые дефекты условно разделяются на положительные (экстраплоскость сверху) и отрицательные (экстраплоскость снизу). Одноименные дислокации отталкиваются, а разноименные – притягиваются и ликвидируются при скольжении в одной плоскости.

В винтовой дислокации ни одна из атомных плоскостей не обрывается внутри кристалла, но сами плоскости приблизительно параллельны и смыкаются друг с другом так, что фактически кристалл состоит из единственной винтообразно изогнутой атомной плоскости. Может быть левой и правой. Направление вращения у винтовых дислокаций играет ту же роль, что знак у краевых дислокаций: две правые и две левые отталкиваются, а правые и левые притягиваются.