Дефекты в кристаллах

Кристаллическое вещество в идеализированном представлении состоит из периодически упорядоченной трёхмерной решётки атомов, ионов или молекул. Однако в реальных условиях полное соответствие такому идеалу невозможно. Нарушения правильности упаковки элементов структуры называются дефектами кристаллов. Их наличие существенно влияет на физические, химические и механические свойства твёрдых тел, определяя их электропроводность, пластичность, прочность, каталитическую активность и другие характеристики.

Классификация дефектов

Дефекты подразделяются по характеру и размерности:

1. Точечные дефекты — нарушения, локализованные в пределах одного узла кристаллической решётки.
2. Линейные дефекты — протяжённые искажения, связанные с неправильным расположением целых рядов атомов.
3. Плоскостные дефекты — отклонения, затрагивающие большие области кристалла, такие как границы зёрен.
4. Объёмные дефекты — макроскопические нарушения, включающие поры, трещины или включения посторонних фаз.

Точечные дефекты

Точечные дефекты наиболее распространены и детально изучены. Их разновидности включают:

• Вакансии — отсутствие атома или иона в узле решётки. Возникают при высоких температурах или в результате радиационного воздействия. Концентрация вакансий описывается уравнением Аррениуса и растёт экспоненциально с повышением температуры.

• Межузельные атомы — частицы, находящиеся не в своих узлах, а в промежутках между ними. Такие дефекты характерны для металлов с плотной упаковкой, например железа или никеля.

• Примесные атомы — внедрённые или замещающие дефекты. В первом случае примесный атом располагается в межузельном пространстве (например, углерод в железе), во втором — занимает узел, вытесняя исходный атом решётки.

• Ионные дефекты — специфичны для ионных кристаллов. Различают два типа:

  • дефект Шоттки — вакансия в катионной и анионной подрешётках с сохранением электрической нейтральности;
  • дефект Френкеля — комбинация вакансии и межузельного иона одного и того же вида.

Линейные дефекты

К этой категории относят дислокации, которые играют решающую роль в пластичности и механической прочности кристаллов.

• Краевая дислокация образуется, когда в решётку внедряется дополнительная атомная полуплоскость.
• Винтовая дислокация возникает при сдвиге слоёв решётки относительно друг друга по винтовой линии.
• Смешанные дислокации сочетают свойства обоих типов.

Энергия дислокаций зависит от их длины и взаимодействия между ними. Подвижность дислокаций определяет способность материала деформироваться без разрушения. Упрочнение металлов часто связано с торможением движения дислокаций за счёт примесей, границ зёрен или выделившихся фаз.

Плоскостные дефекты

• Границы зёрен представляют собой поверхности соприкосновения областей с различной кристаллографической ориентацией. Их плотность особенно велика в поликристаллических материалах.
• Границы двойников образуются при зеркальном отражении решётки относительно определённой плоскости. Они могут повышать прочность или изменять электронные свойства вещества.
• Поверхности раздела фаз возникают при сосуществовании различных фаз в одном твёрдом теле, например при закалке стали.

Объёмные дефекты

К ним относят макроскопические неоднородности: поры, полости, трещины, включения других фаз и примесей. Эти дефекты формируются в процессе кристаллизации или при механических воздействиях. Их наличие снижает прочность и устойчивость материала, но иногда используется целенаправленно, например в пористых керамиках или катализаторах.

Влияние дефектов на свойства твёрдых тел

• Электропроводность: вакансии и примеси могут создавать донорные или акцепторные уровни, что определяет полупроводниковые свойства.
• Оптические характеристики: дефекты вызывают центры окраски, поглощение или люминесценцию.
• Механические свойства: дислокации контролируют пластичность и твёрдость металлов.
• Химическая активность: наличие дефектов повышает реакционную способность поверхности, что используется в катализе.

Таким образом, дефекты являются неотъемлемой частью реальных кристаллов, а их контролируемое введение служит фундаментом для создания материалов с заданными свойствами.