Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Электронная микроскопия antisites (а, Мо заменяет S) и вакансий (б, отсутствующие атомы S) в монослое из дисульфида молибдена . Шкала шкалы: 1 нм. [1]

Кристаллографические дефекты - это прерывания регулярных структур в кристаллических твердых телах . Они являются общими, поскольку положения атомов или молекул на повторяющихся фиксированных расстояниях, определяемых параметрами элементарной ячейки в кристаллах, которые демонстрируют периодическую кристаллическую структуру , обычно несовершенные. [2] [3] [4] [5]

Точечные дефекты [ править ]

Точечные дефекты - это дефекты, которые возникают только в одной точке решетки или вокруг нее. Они не простираются в пространстве ни в каком измерении. Строгие пределы того, насколько мал точечный дефект, обычно явно не определяются. Однако эти дефекты обычно связаны с несколькими лишними или отсутствующими атомами. Большие дефекты в упорядоченной структуре обычно считаются дислокационными петлями. По историческим причинам многие точечные дефекты, особенно в ионных кристаллах, называются центрами : например, вакансия во многих ионных твердых телах называется центром люминесценции, центром окраски или F-центром . Эти дислокации обеспечивают перенос ионов через кристаллы, что приводит к электрохимическим реакциям. Они часто указываются с использованием обозначений Крёгера – Винка .

  • Вакансионные дефекты - это узлы решетки, которые были бы заняты в идеальном кристалле, но остаются вакантными. Если соседний атом перемещается, чтобы занять вакантную позицию, вакансия перемещается в направлении, противоположном позиции, которая раньше была занята движущимся атомом. Стабильность окружающей кристаллической структуры гарантирует, что соседние атомы не будут просто коллапсировать вокруг вакансии. В некоторых материалах соседние атомы фактически удаляются от вакансии, потому что они испытывают притяжение со стороны окружающих атомов. Вакансию (или пару вакансий в ионном твердом теле) иногда называют дефектом Шоттки .
  • Межузельные дефекты - это атомы, которые занимают место в кристаллической структуре, в котором обычно нет атома. Обычно это высокоэнергетические конфигурации. Небольшие атомы (в основном примеси) в некоторых кристаллах могут занимать пустоты без высокой энергии, например водород в палладии .
Схематическое изображение некоторых простых типов точечных дефектов в одноатомном твердом теле
  • Соседняя пара вакансии и промежуточного звена часто называется дефектом Френкеля или парой Френкеля. Это происходит, когда ион перемещается в междоузлия и создает вакансию.

  • Из-за фундаментальных ограничений методов очистки материалов, материалы никогда не бывают чистыми на 100%, что по определению вызывает дефекты в кристаллической структуре. В случае примеси атом часто включается в регулярную атомную позицию в кристаллической структуре. Это не вакантный сайт и не атом на межузельном сайте, и это называется дефектом замещения . Предполагается, что атом не находится где-либо в кристалле и, следовательно, является примесью. В некоторых случаях, когда радиус замещающего атома (иона) значительно меньше, чем радиус замещающего атома (иона), его положение равновесия может быть смещено от узла решетки. Эти типы дефектов замещения часто называют нецентральными ионами.. Существует два различных типа дефектов замещения: изовалентное замещение и алиовалентное замещение. Изовалентное замещение - это когда ион, замещающий исходный ион, имеет ту же степень окисления, что и ион, который он заменяет. Алиовалентное замещение - это когда ион, который замещает исходный ион, имеет другую степень окисления, чем ион, который он заменяет. Алиовалентные замещения изменяют общий заряд внутри ионного соединения, но ионное соединение должно быть нейтральным. Следовательно, требуется механизм компенсации заряда. Следовательно, либо один из металлов частично или полностью окисляется или восстанавливается, либо создаются ионные вакансии.
  • Антиструктурные дефекты [6] [7] возникают в упорядоченном сплаве или соединении, когда атомы разного типа обмениваются позициями. Например, некоторые сплавы имеют правильную структуру, в которой каждый второй атом принадлежит к другому виду; для иллюстрации предположим, что атомы типа A находятся в углах кубической решетки, а атомы типа B находятся в центре кубов. Если один куб имеет атом A в центре, этот атом находится в позиции, обычно занятой атомом B, и, таким образом, является дефектом антисайта. Это не вакансия, не междоузлие и не примесь.
  • Топологические дефекты - это области в кристалле, где обычная химическая среда связи топологически отличается от окружающей среды. Например, в идеальном листе графита ( графена ) все атомы находятся в кольцах, содержащих шесть атомов. Если на листе есть области, в которых количество атомов в кольце отличается от шести, а общее количество атомов остается прежним, образовался топологический дефект. Примером может служить дефект Стоун-Уэльса в нанотрубках, который состоит из двух смежных 5-членных и двух 7-членных атомных колец.
Схематическое изображение дефектов в составном твердом теле на примере GaAs.
  • Также аморфные твердые тела могут содержать дефекты. Их, естественно, довольно сложно определить, но иногда их природу можно довольно легко понять. Например, в идеально связанном аморфном диоксиде кремния все атомы Si имеют 4 связи с атомами O, а все атомы O имеют 2 связи с атомом Si. Таким образом, например, атом O только с одной связью Si ( оборванная связь ) может считаться дефектом кремнезема. [8] Кроме того, дефекты также могут быть определены в аморфных твердых телах на основе пустых или плотно упакованных локальных атомных окрестностей, и можно показать, что свойства таких «дефектов» аналогичны нормальным вакансиям и межузельным элементам в кристаллах. [9] [10] [11]
  • Между точечными дефектами разного типа могут образовываться комплексы. Например, если вакансия встречает примесь, эти две могут связываться вместе, если примесь слишком велика для решетки. Промежуточные узлы могут образовывать «разделенные межузельные» или «гантельные» структуры, в которых два атома эффективно разделяют атомный узел, в результате чего ни один из атомов фактически не занимает этот узел. [12] [13]

Линейные дефекты [ править ]

Линейные дефекты можно описать с помощью калибровочных теорий.

Дислокации - это линейные дефекты, вокруг которых смещены атомы кристаллической решетки. [14] Существует два основных типа дислокаций: краевая дислокация и винтовая дислокация. Также распространены «смешанные» вывихи, сочетающие в себе аспекты обоих типов.

Показана краевая дислокация . Линия дислокации представлена ​​синим цветом, вектор Бюргерса b - черным.

Краевые дислокации вызваны прекращением плоскости атомов в середине кристалла. В таком случае соседние плоскости не прямые, а вместо этого изгибаются по краю конечной плоскости, так что кристаллическая структура идеально упорядочена с обеих сторон. Уместна аналогия со стопкой бумаги: если в стопку вложить половину листка бумаги, дефект в стопке заметен только на краю половины листа.

Винтовую дислокацию труднее визуализировать, но в основном она представляет собой структуру, в которой спиральный путь прослеживается вокруг линейного дефекта (линии дислокации) атомными плоскостями атомов в кристаллической решетке.

Наличие дислокации приводит к деформации (искажению) решетки. Направление и величина такого искажения выражаются через вектор Бюргерса (b). Для краевого типа b перпендикулярно линии дислокации, а для винтового типа - параллельно. В металлических материалах b совмещен с кристаллографическими направлениями плотной упаковки, и его величина эквивалентна одному межатомному расстоянию.

Дислокации могут двигаться, если атомы из одной из окружающих плоскостей разрывают свои связи и повторно соединяются с атомами на конечном крае.

Именно наличие дислокаций и их способность легко перемещаться (и взаимодействовать) под действием напряжений, вызванных внешними нагрузками, приводит к характерной пластичности металлических материалов.

Дислокации можно наблюдать с помощью просвечивающей электронной микроскопии , полевой ионной микроскопии и методов атомного зонда . Переходная спектроскопия глубоких уровней использовалась для изучения электрической активности дислокаций в полупроводниках, в основном в кремнии .

Дисклинации - это дефекты линии, соответствующие «добавлению» или «вычитанию» угла вокруг линии. По сути, это означает, что если вы отслеживаете ориентацию кристалла вокруг дефекта линии, вы получаете поворот. Обычно считалось, что они играют роль только в жидких кристаллах, но недавние разработки предполагают, что они могут играть роль и в твердых материалах, например, приводя к самовосстановлению трещин . [15]

Плоские дефекты [ править ]

Происхождение дефектов упаковки: различные последовательности укладки плотноупакованных кристаллов.
  • Границы зерен возникают там, где кристаллографическое направление решетки резко меняется. Обычно это происходит, когда два кристалла начинают расти отдельно, а затем встречаются.
  • Противофазные границы возникают в упорядоченных сплавах: в этом случае кристаллографическое направление остается тем же, но каждая сторона границы имеет противоположную фазу: например, если упорядочение обычно ABABABAB ( гексагональный плотноупакованный кристалл), антифазная граница принимает форма АБАББАБА.
  • Дефекты упаковки возникают в ряде кристаллических структур, но наиболее распространенным примером являются структуры с плотной упаковкой. Они образуются в результате локального отклонения последовательности укладки слоев в кристалле. Примером может служить последовательность укладки ABABCABAB.
  • Граница твин дефект , который вводит плоскость зеркальной симметрии в упорядочении кристалла. Например, в кубических плотноупакованных кристаллах последовательность двойниковой границы будет ABCABCBACBA.
  • На плоскостях монокристаллов ступеньки между атомарно плоскими террасами также можно рассматривать как плоские дефекты. Было показано, что такие дефекты и их геометрия оказывают существенное влияние на адсорбцию органических молекул [16]

Массовые дефекты [ править ]

  • Трехмерные макроскопические или объемные дефекты, такие как поры, трещины или включения
  • Пустоты - небольшие области, где нет атомов, и которые можно рассматривать как кластеры вакансий.
  • Примеси могут группироваться вместе, образуя небольшие участки другой фазы. Их часто называют осадками .

Математические методы классификации [ править ]

Успешным методом математической классификации физических дефектов решетки, который работает не только с теорией дислокаций и других дефектов в кристаллах, но также, например, с дисклинациями в жидких кристаллах и возбуждениями в сверхтекучем 3 He, является теория топологической гомотопии . [17]

Методы компьютерного моделирования [ править ]

Теория функционала плотности , классическая молекулярная динамика и кинетическое моделирование методом Монте-Карло [18] широко используются для изучения свойств дефектов в твердых телах с помощью компьютерного моделирования. [9] [10] [11] [19] [20] [21] [22] Моделирование заклинивания твердых сфер разного размера и / или в контейнерах несопоставимых размеров с использованием алгоритма Любачевского – Стиллингера может быть эффективным методом. для демонстрации некоторых типов кристаллографических дефектов. [23]

См. Также [ править ]

  • Дефект Бьеррума
  • Кристаллографические дефекты в алмазе
  • Обозначения Крегера – Винка
  • F-центр

Ссылки [ править ]

  1. ^ Hong, J .; Hu, Z .; Проберт, М .; Ли, К .; Lv, D .; Ян, X .; Gu, L .; Mao, N .; Feng, Q .; Xie, L .; Zhang, J .; Wu, D .; Zhang, Z .; Jin, C .; Ji, W .; Чжан, X .; Yuan, J .; Чжан, З. (2015). «Исследование атомных дефектов в монослоях дисульфида молибдена» . Nature Communications . 6 : 6293. Bibcode : 2015NatCo ... 6.6293H . DOI : 10.1038 / ncomms7293 . PMC  4346634 . PMID  25695374 .
  2. ^ Эрхарт, P. (1991) Свойства и взаимодействие атомных дефектов в металлах и сплавах Архивированных 2013-02-03 в Archive.today , объем 25 Ландольт-Борнстейн, Ньюсерии III, глава 2, стр. 88, Шпрингер, Берлин
  3. ^ Сигель, RW (1982) Атомные дефекты и диффузия в металлах , в точечных дефектах и ​​взаимодействиях дефектов в металлах , J.-I. Такамура (ред.), Стр. 783, Северная Голландия, Амстердам
  4. ^ Кроуфорд, JH; Слифкин, Л.М., ред. (1975). Точечные дефекты в твердых телах . Нью-Йорк: Пленум Пресс.
  5. ^ Watkins, GD (1997) "Собственные дефекты и их взаимодействие с примесями в кремнии", стр. 139 в книге «Дефекты и диффузия при обработке кремния» , Т. Диас де ла Рубиа, С. Коффа, П. А. Столк и К. С. Рафферти (редакторы), т. 469 материалов симпозиума MRS, Общества исследования материалов, Питтсбург, ISBN 1-55899-373-8 
  6. ^ Маттила, Т; Ниеминен, Р.М. (1995). «Прямое образование антиструктур при электронном облучении GaAs» . Письма с физическим обзором . 74 (14): 2721–2724. Bibcode : 1995PhRvL..74.2721M . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.74.2721 . PMID 10058001 . 
  7. ^ Hausmann, H .; Пиллюкат, А .; Эрхарт, П. (1996). «Точечные дефекты и их реакции в электронно-облученном GaAs, исследованные методом оптической абсорбционной спектроскопии». Physical Review B . 54 (12): 8527–8539. Bibcode : 1996PhRvB..54.8527H . DOI : 10.1103 / PhysRevB.54.8527 . PMID 9984528 . 
  8. ^ Либ, Клаус-Питер; Кейнонен, Юхани (2006). «Люминесценция облученного ионами α-кварца». Современная физика . 47 (5): 305–331. Bibcode : 2006ConPh..47..305L . DOI : 10.1080 / 00107510601088156 .
  9. ^ а б Ашкенази, Йинон; Авербак, Роберт С. (2012). «Облучение, вызванное граничным потоком зерна - новый механизм ползучести в наномасштабе». Нано-буквы . 12 (8): 4084–9. Bibcode : 2012NanoL..12.4084A . DOI : 10.1021 / nl301554k . PMID 22775230 . 
  10. ^ a b Mayr, S .; Ashkenazy, Y .; Albe, K .; Авербак Р. (2003). «Механизмы радиационно-индуцированного вязкого течения: роль точечных дефектов». Phys. Rev. Lett . 90 (5): 055505. Bibcode : 2003PhRvL..90e5505M . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.90.055505 . PMID 12633371 . 
  11. ^ a b Нордлунд, К; Ашкенази, Y; Averback, R. S; Гранато, А. В. (2005). «Струны и межузельные частицы в жидкостях, стеклах и кристаллах». Europhys. Lett . 71 (4): 625–631. Bibcode : 2005EL ..... 71..625N . DOI : 10,1209 / EPL / i2005-10132-1 .
  12. ^ Ханнес Raebiger (2010). «Теория комплексов дефектов в изоляторах». Physical Review B . 82 (7): 073104. Bibcode : 2010PhRvB..82g3104R . DOI : 10.1103 / PhysRevB.82.073104 .
  13. ^ Ханнес Raebiger, Хикару Накаяма, и Такеши Фуджита (2014). «Контроль энергии связывания дефектов и магнитного взаимодействия в разбавленных магнитных полупроводниках путем манипуляции зарядовым состоянием». Журнал прикладной физики . 115 (1): 012008. Bibcode : 2014JAP ... 115a2008R . DOI : 10.1063 / 1.4838016 .CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  14. ^ Херт, JP; Lothe, J. (1992). Теория дислокаций (2-е изд.). Krieger Pub Co. ISBN 978-0-89464-617-1.
  15. ↑ Чендлер, Дэвид Л., Треснувший металл, исцели себя, Новости Массачусетского технологического института, 9 октября 2013 г.
  16. ^ Вальдман, Т. (2012). «Роль поверхностных дефектов в адсорбции больших органических молекул: эффекты конфигурации подложки». Физическая химия Химическая физика . 14 (30): 10726–31. Bibcode : 2012PCCP ... 1410726W . DOI : 10.1039 / C2CP40800G . PMID 22751288 . 
  17. ^ Мермин, Н. (1979). «Топологическая теория дефектов в упорядоченных средах». Обзоры современной физики . 51 (3): 591–648. Bibcode : 1979RvMP ... 51..591M . DOI : 10.1103 / RevModPhys.51.591 .
  18. ^ Cai, W .; Булатов, В.В.; Хусто, JF; Argon, AS; Ип, С. (2000). «Собственная подвижность диссоциированной дислокации в кремнии». Phys. Rev. Lett . 84 (15): 3346–3349. Bibcode : 2000PhRvL..84.3346C . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.84.3346 . PMID 11019086 . 
  19. ^ Корхонен, Т; Пуска, М .; Ниеминен, Р. (1995). «Энергии образования вакансий для переходных металлов с ГЦК и ОЦК» . Phys. Rev. B . 51 (15): 9526–9532. Bibcode : 1995PhRvB..51.9526K . DOI : 10.1103 / PhysRevB.51.9526 . PMID 9977614 . 
  20. ^ Пуска, MJ; Pöykkö, S .; Pesola, M .; Ниеминен Р. (1998). «Сходимость расчетов сверхъячейки для точечных дефектов в полупроводниках: вакансия в кремнии» . Phys. Rev. B . 58 (3): 1318–1325. Bibcode : 1998PhRvB..58.1318P . DOI : 10.1103 / PhysRevB.58.1318 .
  21. ^ Nordlund, K .; Авербак Р. (1998). «Роль межузельных атомов на высокотемпературные свойства металлов». Phys. Rev. Lett . 80 (19): 4201–4204. Bibcode : 1998PhRvL..80.4201N . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.80.4201 .
  22. ^ Сэдиг, B; Леноски, Томас; Тайсс, Сильва; Катурла Мария-Хосе; Диас де ла Рубиа, Томас; Фоад, Маджид (1999). "Механизм диффузии бора в кремнии: исследование Ab Initio и кинетическое Монте-Карло" . Phys. Rev. Lett . 83 (21): 4341–4344. Bibcode : 1999PhRvL..83.4341S . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.83.4341 .
  23. ^ Стиллинджер, Фрэнк Х .; Любачевский, Борис Д. (1995). «Паттерны нарушенной симметрии в кристалле жесткого диска, возмущенного примесью». Журнал статистической физики . 78 (3–4): 1011–1026. Bibcode : 1995JSP .... 78.1011S . DOI : 10.1007 / BF02183698 .

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Хаген Кляйнерт , Измерительные поля в конденсированных средах , Vol. II, «Напряжения и дефекты» , стр. 743–1456, World Scientific (Сингапур, 1989); Мягкая обложка ISBN 9971-5-0210-0 
  • Герман Шмальцрид: реакции в твердом теле . Verlag Chemie, Weinheim 1981, ISBN 3-527-25872-8 .