Кристаллическая решётка идеального кристалла представляет собой строгую периодическую структуру, в которой атомы или ионы располагаются в узлах точной геометрической сетки. Однако в реальных кристаллах всегда присутствуют отклонения от идеальности — дефекты кристаллической решётки, которые оказывают существенное влияние на физические, химические и механические свойства вещества.
1. Точечные дефекты
Точечные дефекты затрагивают отдельные узлы решётки и могут включать:
[ n_v = N (-)]
где (n_v) — число вакансий, (N) — число узлов, (E_v) — энергия образования вакансии, (k) — постоянная Больцмана, (T) — температура.
Вставки (интерстициальные атомы) — атомы, расположенные в промежутках между узлами кристаллической решётки. Эти дефекты создают локальные напряжения, влияя на твёрдость и прочность материала.
Замещающие атомы (субституционные дефекты) — замена атома решётки чужеродным атомом. Примерами служат легирующие добавки в металлах, которые изменяют их механические и электрохимические свойства.
2. Линейные дефекты (дислокации)
Дислокации представляют собой линии нарушения периодичности кристалла:
Краевая дислокация — возникает при введении дополнительной полуплоскости атомов, создающей локальное смещение. Её движение позволяет пластической деформации металлов происходить при меньших напряжениях, чем при идеальном кристалле.
Винтовая дислокация — формируется при скручивании атомных слоёв вокруг линии дислокации. Она также облегчает пластическую деформацию.
Дислокации оказывают критическое влияние на прочность, пластичность и ковкость металлов, являясь основой механизмов упрочнения (например, упрочнение холодной прокаткой).
3. Плоскостные дефекты
Плоскостные дефекты включают нарушения порядка на плоскостях кристалла:
Границы зерен — области, где кристаллиты различной ориентации соединяются. Они препятствуют движению дислокаций, увеличивая прочность материала, но могут служить каналами для диффузии и коррозии.
Твин-границы — зеркальные симметричные нарушения кристаллической решётки. Влияют на пластичность и текучесть кристалла.
Структурные сдвиги (stacking faults) — локальные нарушения последовательности плоскостей атомов, часто встречающиеся в кубических и гексагональных упаковках. Эти дефекты влияют на механические свойства и фазовые переходы.
4. Объёмные дефекты
Крупномасштабные дефекты затрагивают значительные объёмы кристалла:
Поры и пустоты — пространственные полости, возникающие при синтезе или охлаждении кристалла. Снижают плотность материала и ухудшают механические свойства.
Трещины — микроскопические разрывы решётки, которые могут развиваться в макроскопические разрушения под действием внешних нагрузок.
Примеси и включения — наличие чужеродных фаз, часто аморфных или поликристаллических, которые могут быть источниками напряжений и центрами разрушения.
Дефекты кристаллической решётки определяют ключевые характеристики материалов:
Электропроводность — вакансии и интерстициальные атомы создают центры рассеяния электронов, изменяя проводимость металлов и полупроводников. Замещающие атомы могут служить донорами или акцепторами заряда.
Механические свойства — дислокации и границы зерен регулируют пластичность, твёрдость и прочность материалов. Контроль дефектной структуры используется для упрочнения металлов и сплавов.
Диффузия — точечные и линейные дефекты служат каналами для миграции атомов, ускоряя процессы взаимопроникновения веществ.
Оптические и магнитные свойства — примеси и вакантные места могут создавать уровни энергии внутри запрещённой зоны, влияя на цвет, люминесценцию и магнитную восприимчивость.
Рентгеновская дифракция (XRD) — выявляет искажённые участки решётки и линии дефектов по изменению ширины дифракционных пиков.
Электронная микроскопия (TEM, SEM) — позволяет визуализировать дислокации, границы зерен и структурные включения с атомной точностью.
Спектроскопические методы — выявляют примеси и вакансии по изменению спектров поглощения или люминесценции.
Механические тесты — косвенно оценивают концентрацию дефектов через изменение твёрдости, пластичности и прочности материала.
Процессы термообработки, легирования и пластической деформации позволяют управлять концентрацией и типом дефектов:
Дефекты кристаллов не являются исключительно нежелательными; их целенаправленное введение и контроль лежат в основе современной материаловедческой инженерии, полупроводниковой промышленности и нанотехнологий.