Лабораторная работа: Структурні дефекти кристалічної решітки

Практична робота №4

Структурні дефекти кристалічної решітки

До структурних дефектів відносятьсягеометричні відхилення елементів решітки від регулярного розташування в ідеальних решітках.

Класифікація можливих структурних дефектів у ґратах кристала можлива на основі просторової довжини. Ми розрізняємо, тому крапкові, лінійні й поверхневі дефекти або відповідно нуль - мірні, одномірні й двомірні дефекти. Найважливіші типи дефектів будови кристала наведені нижче.

Крапкові дефекти: дефекти по Френкелю, дефекти по Шоттки, антидефекти поФренкелю, антидефекти по Шоттки.

Лінійні дефекти: дислокація.

Поверхневі дефекти: малокутова границя зерна, більшекутова границя зерна,дефект упакування, двійник.

Поряд із цим є безліч складних і ще маловивчених дефектів структури, наприклад скупчення крапкових дефектів в «хмари», які перевищують атомарні розміри. Різні дефекти структури часто проявляються в кристалі не в чистому виді: вони взаємно впливають один на одного й можуть реагувати один з одним.

Тому що крапкові дефекти мають у трьох кристалографічних напрямках атомарні розміри, їх називають ще атомними дефектами. Дефекти по Френкелю й по Шоттки принципово відрізняються від лінійних і поверхневих дефектів тим, що вони перебувають у тепловій рівновазі. Тому неможливо одержати ідеальні кристали при нормальній температурі. Навіть якби вони були вільні від дислокацій і не мали б яких-небудь поверхневих дефектів, при температурі, що відрізняється від 0°ДО, варто було б зважати на певну рівноважну концентрацію атомних дефектів.

Такий вид невпорядкованості називається, тому власною або термічної (термодинамічної) невпорядкованістю.

Рис. 10.8. Чотири основних типи термічних дефектів у бінарних іонних кристалах типу АВ:

а - дефект по Френкелю; б - дефект по Шоттки; в - антидефект по Френкелю;

г - антидефект по Шоттки; 1 - катіон, 2 - аннон: 3 - вакансія

Чотири основних типи термічних дефектів для бінарного іонного кристала типу АВ наведені на мал. 10.8.

Розрахунок дефектів по Шоттки можна виконати за допомогою відомих термодинамічних функцій стану. При виникненні дефектів у ґратах підвищується яквнутрішня енергіяU, так й ентропіясистеми S. Рівноважна концентрація дефектів виходить тоді з умови мінімуму вільної енергії, з рівняння F = U-T S (7.15). Отже, розрахунок концентрації дефектів зводиться до визначення величин U й S. Припустивши, що ніякої зміни обсягу не відбувається й концентрація дефектів настільки мала, що виключається взаємний вплив атомних дефектів структури, можна обчислити концентрацію дефектів по Шоттки для моноатомного кристала, тобто для кристала, що складає з атомів одного сорту.

Тому що число дефектів Шотткиn у порівнянні із загальним числом наявних у кристалі атомів мало (N>>n), те можна прийняти, що N-n N . Так що для числа вакансій, що перебувають у рівновазі при температурі Т можна записати так:

n=Ne або =e

Для концентрації дефектів по Френкелю виходить аналогічне співвідношення. Якщо N -число можливих місць для міжузлових атомів, an- число атомів, які покинули свої місця в ґратах, то

Рис. 10.9. Циркуляція (контур) Бюргерса для крайової дислокації.

Лінія дислокації перпендикулярна

n =

де Е - енергія утворення дефекту по Френкелю.

У ґратах іонних кристалів типу АВз дефектами по Шоттки за принципом електричної нейтральності може виникати тільки рівне число катіонних й аніонних вакансій. У цьому випадку необхідна енергія для утворення пари вакансій. Такі види дефектів у певних кристалічних ґратах є переважними, залежить в основному від величини необхідних енергій активації.

До цієї групи дефектів структури ставляться крайові дислокації й гвинтові дислокації. Їх варто розглядати не як два принципово відрізняються типу дислокацій, а тільки як два граничних випадки, що залежать від орієнтації лінії дислокації стосовно вектора Бюргерса. Під дислокацією або лінією дислокації розуміють лінію, що відокремлює область кристала, що перетерпіла зрушення,від незрушеної. Вектор Бюргерса дає величину й напрямок зрушення

Рис. 10.10. Циркуляція(контур) Бюргерса для гвинтової дислокації.

лінія дислокації паралельна

--> ЧИТАТЬ ПОЛНОСТЬЮ <--