Точечные дефекты представляют собой локальные нарушения периодичности кристаллической решетки, ограниченные размером одного или нескольких атомных узлов. К ним относятся вакансии, межузельные атомы, замещающие атомы и точечные дефекты с зарядами.
Вакансии — отсутствие атома в узле кристаллической решетки. Вакансии возникают спонтанно при термическом возбуждении кристалла и играют ключевую роль в диффузионных процессах. Концентрация вакансий (n_v) описывается законом Аррениуса: [ n_v = N (-),] где (N) — число узлов, (E_v) — энергия образования вакансии, (k) — постоянная Больцмана, (T) — температура.
Межузельные атомы появляются, когда атом занимает промежуточное положение между узлами решетки. Эти дефекты увеличивают внутреннее давление кристалла и могут существенно изменять механические свойства.
Замещающие атомы возникают при внедрении в решетку атомов другого химического элемента. Такой дефект лежит в основе образования твердых растворов замещения.
Точечные дефекты с зарядами (ионные вакансии и интерстициальные ионы) важны для электропроводности кристаллов, особенно в ионных соединениях. Они обеспечивают перенос заряда и влияют на химическую активность материала.
Линейные дефекты характеризуются нарушением периодичности вдоль одной линии в кристалле. Основным представителем является дислокация, которая критически влияет на механические свойства.
Краевая дислокация формируется при вставке дополнительной полуплоскости атомов в кристалл. Линия дислокации находится на краю этой плоскости. Дефект вызывает локальное искажение решетки, которое можно описать вектором Бюргерса ( ).
Винтовая дислокация характеризуется спиральным смещением атомных плоскостей вокруг линии дефекта. Винтовая дислокация обеспечивает пластическую деформацию без разрушения кристалла.
Смешанные дислокации содержат элементы как краевых, так и винтовых дислокаций, сочетая оба типа деформации.
Плоскостные дефекты охватывают нарушения, распространяющиеся на двумерные слои кристалла. Основные виды:
Границы зерен — интерфейсы между кристаллитами с различной ориентацией. Могут быть низкоугловыми и высокоугловыми. Высокоугловые границы существенно увеличивают диффузионную активность и уменьшают механическую прочность.
Сдвиги и стоячие волны — локальные изменения порядка расположения атомов в плоскости. Часто встречаются в полиморфных и металлургических системах.
Пленочные и интерфейсные дефекты формируются на границах фаз и слоистых структур, влияя на адгезию и прочность композиционных материалов.
Объёмные дефекты занимают значительные области кристалла и включают:
Поры и трещины, возникающие при росте кристалла или термических деформациях. Эти дефекты критичны для механической устойчивости.
Примесные включения, как металлические, так и неметаллические, которые нарушают однородность материала и могут служить центрами зарождения разрушения.
Вторичные фазы, образующиеся при реакциях внутри кристалла, создают сложные объёмные структуры, влияющие на магнитные, электрические и оптические свойства.
Комплексные дефекты представляют собой комбинации точечных, линейных и плоскостных дефектов. Примерами являются:
Дефекты кристаллической решетки определяют физико-химические свойства материалов:
Тщательный контроль типа и концентрации дефектов является ключевым инструментом в материаловедении, позволяя создавать кристаллы с заранее заданными свойствами.