Дефекты кристаллов

Идеальный кристалл, т.е. правильное, бесконечно повторяющееся в пространстве расположение структурных частиц в узлах кристаллической решетки, в природе не существуют. Любой реальный кристалл всегда содержит дефекты физической и химической природы. Дефекты – это микроскопические области внутри монокристалла с нарушенным порядком расположения частиц. Дефекты подразделяются на точечные (нуль-мерные), линейные (одномерные), поверхностные (двумерные) и объемные (трехмерные). К точечным дефектам относятся вакансии и межузельные атомы. Вакансии – это незанятый узел решетки, а межузельный атом – структурная частица, перемещенная из узла в позицию между узлами (междоузлие). Вакансии и атомы в междоузлиях существуют в кристалле при любой отличной от нуля температуре. Они появляются вследствие теплового движения частиц. При тепловом движении частицы обмениваются энергией, и некоторые из них могут получить энергию, достаточную для преодоления сил, удерживающих частицы в узле решетки. Пусть - энергия, необходимая для удаления частицы из узла (энергия активации). Эта энергия для частицы является термодинамически потенциальным барьером высотой . Вероятность его преодоления определяется больцмановским множителем Поэтому число дефектов (их концентрация) будет пропорциональна этому множителю, а значит, при любой будет существовать какое-то количество точечных дефектов. Существование точечных дефектов можно объяснить и исходя из того, что термодинамически равновесное состояние кристалла определяется минимумом его свободной энергии Энтропия кристалла будет тем больше, чем больше беспорядка в расположении его частиц. Образование дефектов увеличивает степень беспорядка кристалла, а значит, увеличивает его энтропию S и уменьшает свободную энергию F кристалла. Поэтому, хотя энергия U минимальна в том случае, когда каждая частица находится в своем правильном расположении, при любой отличной от нуля температуре T в кристалле должно существовать определенное равновесное число дефектов. Кроме собственных точечных дефектов, в кристалле могут существовать и примесные. К ним относятся чужеродные частицы, т.е. частицы другого химического вещества. Эти атомы могут либо замещать атомы основного вещества, либо располагаться в междоузлиях. В первом случае кристалл называют твердым раствором замещения, а во втором – твердым раствором внедрения.

Одномерные (линейные) дефекты, иначе называемые дислокациями, обусловлены либо смещением одной части решетки по отношению к другой параллельно линии дислокации (винтовая дислокация), либо недостроенностью какой-либо атомной плоскости (краевая дислокация). Поверхностные дефекты образуются границами зерен. Граница зерна это поверхность, отделяющая одно зерно от другого. Одним из важнейших поверхностных дефектов является внешняя поверхность твердых тел. Как и в жидкости и по той же причине, поверхностный слой имеет избыточную энергию, которая называется поверхностной энергией твердого тела. К объемным дефектам относятся трещины и поры внутри кристалла.

Дефекты оказывают существенное влияние на все механические и физические свойства твердых тел.