Дефекты в кристаллических структурах подразделяются на точечные, линейные, плоскостные и объёмные. Каждый тип дефекта оказывает специфическое влияние на физические, химические и механические свойства материалов. Точечные дефекты включают вакансии, интерстициальные атомы и примесные атомы, линейные — дислокации, плоскостные — границы зёрен и стекловидные области, объёмные — пустоты и включения второго фазового компонента.
Точечные дефекты играют ключевую роль в формировании электронных состояний в запрещённой зоне. Вакансии и интерстициальные атомы создают локальные уровни энергии, способные захватывать или отдавать электроны, что влияет на проводимость и полупроводниковые характеристики материала. Примесные атомы могут создавать донорные или акцепторные уровни, что используется при легировании полупроводников.
Цветные центры, возникающие вследствие вакансий или замещения атомов, изменяют оптические свойства. Например, в алмазе возникновение вакансий углерода приводит к появлению ярких оптических поглощений, формируя различные оттенки.
Дислокации существенно определяют пластичность и прочность кристаллов. Лёгкое перемещение дислокаций обеспечивает деформацию под нагрузкой, а их запутанность или взаимодействие с примесями повышает твёрдость. Плоскостные дефекты, такие как границы зёрен, препятствуют движению дислокаций, создавая эффект упрочнения (эффект Холла–Петча).
Объёмные дефекты, включая поры и микровключения, снижают механическую прочность, вызывая концентрацию напряжений и трещинообразование. При высокой плотности таких дефектов материалы становятся хрупкими.
Дефекты значительно ускоряют диффузию атомов. Вакансии и междоузельные позиции служат каналами для миграции атомов. В полупроводниках и керамиках диффузионные процессы через дефекты определяют скорость легирования, коррозионную стойкость и кинетику реакций при высоких температурах.
Дислокации также создают пути с пониженной энергией активации для миграции атомов, ускоряя процессы старения, рекристаллизации и фазовых превращений.
Дефекты изменяют проводимость материалов. В полупроводниках введение примесей регулирует концентрацию носителей заряда. В металлах вакансии и дислокации рассеивают электроны, уменьшая электропроводность.
Теплопроводность кристаллов также чувствительна к дефектам. Локальные нарушения решётки рассеивают фононы, снижая способность материала передавать тепловую энергию. Это используется в термоизоляционных материалах и термоэлектриках.
Дефекты создают активные центры на поверхности и в объёме кристалла. Поверхностные вакансии и междоузельные атомы повышают химическую реактивность, ускоряя каталитические процессы. В оксидах металлов и полупроводниках дефекты определяют способность адсорбировать молекулы и участвовать в реакциях окисления и восстановления.
В магнитных материалах точечные дефекты и дислокации могут изменять обменные взаимодействия между спинами, влияя на намагниченность, коэрцитивную силу и температурные характеристики фазовых переходов. Замещающие атомы с разными магнитными моментами создают локальные неоднородности, приводящие к спиновым фрустрациям и специфическим магнитным аномалиям.
Дефекты снижают энергетический барьер фазовых переходов и изменяют равновесные состояния. Вакансии и интерстициальные атомы увеличивают энтропию кристалла, что сказывается на термодинамической стабильности. Локальные напряжения, вызванные дислокациями или границами зёрен, могут инициировать фазовые превращения, влияя на кинетику кристаллизации и рекристаллизации.
Эффекты дефектов зависят не только от их типа, но и от концентрации и пространственного распределения. Равномерно распределённые вакансии могут повышать электропроводность без значительного ухудшения механических свойств, тогда как скопления дефектов создают локальные слабые зоны, приводящие к хрупкости, трещинообразованию и ускоренной коррозии.
Совместное присутствие дефектов различных типов вызывает сложные эффекты. Дислокации могут притягивать примесные атомы, формируя зональные уплотнения (эффект старения), плоскостные дефекты ограничивают движение дислокаций, а точечные дефекты усиливают рассеивающий эффект на электроны и фононы. Эти взаимодействия определяют комплексные свойства кристаллов, включая механическую прочность, электропроводность, теплопроводность и химическую активность.