Рентгеноструктурный анализ является одним из основных методов исследования кристаллических структур и их дефектов. Принцип метода основан на дифракции рентгеновских лучей на упорядоченной решётке атомов. При наличии дефектов, таких как вакансии, дислокации или междоузельные атомы, наблюдаются аномалии дифракционных картин: изменение интенсивности, ширины и положения дифракционных пиков. Важным параметром является ширина пика Лоренца–Миттага, которая позволяет оценивать микроструктурное искажённое состояние кристалла. Метод применяется как для монокристаллов, так и для порошков, что делает его универсальным инструментом анализа точечных и плоскостных дефектов.
Трансмиссионная электронная микроскопия (ТЭМ) позволяет визуализировать кристаллическую решётку с атомарным разрешением. Дислокации, межзеренные границы, двойники и плоскостные дефекты становятся видимыми в реальном масштабе. Использование методов high-resolution TEM (HRTEM) позволяет выявлять локальные искажения кристаллической решётки и оценивать распределение точечных дефектов. Сканирующая электронная микроскопия (SEM) эффективна для изучения морфологии и границ зерен, выявления крупных дефектов и пористости.
Спектроскопия оптической абсорбции и люминесценция позволяют исследовать электронные состояния, связанные с дефектами. Примесные и вакансные центры создают характерные поглощения и эмиссии света, что позволяет не только обнаружить дефекты, но и оценить их концентрацию. Раман-спектроскопия дополнительно выявляет локальные напряжения искажения решётки, связанные с дислокациями и точечными дефектами, через сдвиги и ширину спектральных линий.
Метод ЭПР используется для изучения дефектов, имеющих неспаренные электроны, таких как радикалы, центры Френкеля и определённые примеси. ЭПР позволяет определить тип дефекта, его концентрацию и локальное окружение атомов, а также исследовать динамику взаимодействия дефектов с решёткой.
Нейтронная дифракция чувствительна к лёгким атомам (например, водороду), которые плохо выявляются рентгеновскими методами. Этот метод позволяет исследовать вакансии и междоузельные атомы, особенно в ионных и водородсодержащих кристаллах. Применение поликристаллических образцов позволяет оценить статистические характеристики дефектов в объёме кристалла.
Измерение механических свойств кристаллов с помощью микротвердомеров позволяет выявлять локальные изменения твёрдости, вызванные дислокациями и границами зерен. AFM обеспечивает пространственное картирование поверхности с атомарным разрешением, выявляя плоскостные дефекты, шаги на поверхности и мелкие поры.
Использование термостимулированной люминесценции (ТСЛ) и методов диффузии изотопов позволяет косвенно исследовать миграцию дефектов и их концентрацию. Данные методы особенно ценны для изучения динамики точечных дефектов и их влияния на механические и электрические свойства кристаллов.
Современные методы моделирования, включая методы молекулярной динамики и плотностного функционала (DFT), позволяют прогнозировать образование и поведение дефектов на атомном уровне. Моделирование помогает интерпретировать экспериментальные данные, связывая наблюдаемые эффекты с конкретными типами дефектов и их взаимодействием с кристаллической решёткой.
Каждый метод обладает определённой чувствительностью к типу дефектов:
Комплексное применение этих методов позволяет не только идентифицировать дефекты, но и количественно оценивать их концентрацию, распределение и влияние на физико-химические свойства кристаллов.