Главная > Физика > Введение в физику (А. И. Китайгородский)
<< Предыдущий параграф
Следующий параграф >>
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Макеты страниц

§ 237. Дефекты кристалла

Блочная структура.

Реальный кристалл существенно отличается от идеальной пространственной решетки. Это следует из множества фактов, в том числе из непосредственных электронно-микроскопических наблюдений. Однако основные представления о дефектности кристалла внутри его объема возникли, прежде всего, из измерений прочности: кристалл разрушается при напряжениях, в сотни раз меньших тех, которые мы ожидали бы для идеального объекта. О деформациях и разрушении кристалла будет речь в гл. 34. Сейчас мы изложим существующие в настоящее время представления о дефектности кристалла.

Основным фактом является следующее положение: монокристалл не представляет собой единой решетки, а состоит из огромного числа мельчайших блоков, слегка (в пределах секунд или минут дуги) дезориентированных друг по отношению к другу. Размеры

блоков могут варьировать в достаточно широких пределах. Скорее всего, они лежат в пределах Вероятно, в кристалле существует некоторое распределение по размерам блоков.

Расположение частиц, строящих кристалл, на границе двух блоков представляет большой интерес. Имеются все основания полагать, что весьма близкой к истине моделью может служить поверхность жидкости, покрытая мыльными пузырями.

Внимательно изучая картину, показанную на рис. 270, мы увидим, что атомные ряды «переламываются» вблизи центра модели. Кусок «структуры», изображенный на рисунке, пожалуй, можно представить себе в виде четырех блоков с общим углом в центре модели. В центре мы отчетливо видим наличие дефекта — верхние «атомы» попали в неверные места, не вошли в пустоты плотной упаковки. Эта ошибка и привела к разбиению кристалла на блоки.

Рис. 270.

Таких ошибок — мы будем называть их дислокациями — имеется весьма много. Они расположены беспорядочно и могут поворачивать атомный ряд то вправо, то влево. Поэтому в среднем все кристаллографические направления тянутся через весь монокристалл с большой точностью. Дислокации создают блочную, или, как еще говорят, мозаичную, структуру монокристалла. Разумеется, наличие случайных микротрещин или пустот размерами в несколько атомов также способствует образованию блочной структуры.

Пробегая взглядом вдоль «атомных» рядов модели, мы видим, что причину нарушения порядка можно сформулировать и так: существуют два соседних ряда, число частиц в которых отличается на единицу: в один из рядов «влез» лишний атом.

Дислокации.

Рис. 270 дает двумерную модель кристалла. Каждый ряд является как бы проекцией атомного слоя, идущего перпендикулярно к чертежу. Сильно испорченному месту, которое видно на схеме, в трехмерном кристалле будет соответствовать линейная область, перпендикулярная к чертежу. Это место и называется ядром дислокации. Последнее слово в переводе на русский язык означает «смещение». Термин указывает, что дефект произошел из-за «смещения» одной части кристалла по отношению к другой.

Картина дислокаций объясняет не только блочное строение кристалла, но и много других явлений. Поэтому стоит изучить эти своеобразные искажения кристалла подробнее.

Существуют два типа дислокаций: простая дислокация и спиральная. Простая — это та, с которой мы познакомились

на пузырьковой модели. Схематически простая дислокация изображена на рис. 271, а; ее ядро обозначено перевернутой буквой Искажение максимально вблизи плоскости дислокации, разделяющей кристалл на две части; оно быстро рассасывается при отходе от линии дислокации в обе стороны. На этом же рисунке (271, б) показан вид сверху на две атомные плоскости, примыкающие с обеих сторон к границе блоков. Верхняя (сжатая) плоскость, которая показана сплошными линиями, содержит одним рядом больше, чем нижняя (пунктир).

Аналогичные схемы для так называемой спиральной дислокации показаны на рис. 272. Решетка разбита на два блока, один из которых своей частью как бы соскользнул на один период по отношению к соседнему (рис. 272, а). Наибольшие искажения сосредоточены на оси, показанной на рисунке. Область, примыкающая к этой оси, и называется спиральной дислокацией. Мы лучше поймем, в чем сущность искажения, если рассмотрим схему, изображающую две соседние атомные плоскости по одну и другую сторону границы блоков (рис. 272, б). По отношению к трехмерному рисунку это вид на плоскости справа.

Рис. 271.

Рис. 272

Показана ось спиральной дислокации, та же, что и на трехмерном рисунке. Сплошными линиями показана плоскость правого блока, пунктирными — левого блока. Как видно из схемы, спиральная дислокация представляет собой иной тип

искажения, отличный от простого. Лишнего ряда атомов здесь нет. Искажение состоит в том, что вблизи оси дислокации атомные ряды меняют своих ближайших соседей, а именно, изгибаются и подравниваются к соседям, находящимся этажом ниже.

Почему эта дислокация называется спиральной?

Рис. 273. (см. скан)

Дело в том, что при обходе оси дислокации, совершаемом вдоль узловых плоскостей решетки, мы, начав с самой нижней плоскости, после каждого оборота будем попадать этажом выше и в конце концов выйдем на верхнюю поверхность кристалла так, как если бы шли по спиральной лестнице. На нашем рисунке подъем снизу происходил против часовой стрелки. Если бы сдвиг блоков был обратным, то обход происходил бы по часовой стрелке.

В одном и том же объекте могут встретиться одна за другой спиральные дислокации одного направления вращения. Если же в одной и той же плоскости лежат две дислокации разного направления вращения, то возникает более сложное искажение.

Дефекты внутри блока.

Кристаллическая решетка состоит из блоков, внутри которых также имеются дефекты. В решетке могут быть дефекты в виде пустых мест, а также в виде примесей чужеродных атомов. Пустот и примесей может быть совершенно незначительное количество, а искажения от их присутствия могут быть не малыми.

Рис. 273 передает характер этих искажений. На нем показано влияние чужеродного атома (а), заменившего один из атомов основной решетки, атома, внедрившегося между атомами основной решетки (б), и «пустого» узла решетки (в). Такие влияния могут сказываться на расстояниях в 5—10 периодов решетки во все стороны. Но 10 периодов во все стороны — это уже 1000 ячеек. Поэтому примесь порядка 0,1% может фундаментально изменить свойства кристаллического вещества. Правда, надо оговориться, что влияние примесей не сводится к заметным искажениям решетки. Мы еще остановимся (§ 272) на случае полупроводников, где примеси порядка одного атома на миллиард могут изменить электрические свойства тела.

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление