Kristalliviat

Kidevaurioiksi kutsutaan mitä tahansa kiteen translaatiosymmetrian stabiilia rikkomusta - kidehilan  ideaalista jaksollisuutta . Mittojen lukumäärän mukaan, joissa vian mitat ylittävät merkittävästi atomien välisen etäisyyden, viat jaetaan nollaulotteisiin (piste), yksiulotteisiin (lineaarisiin), kaksiulotteisiin (tasaisiin) ja kolmiulotteisiin ( bulkki) viat [1] .

Nollaulotteiset (piste)virheet

Nollaulotteiset (tai piste- ) kidevirheet sisältävät kaikki viat, jotka liittyvät pienen atomiryhmän siirtymiseen tai korvaamiseen (sisäiset pistevirheet) sekä epäpuhtauksiin. Ne syntyvät kuumentamisen, dopingin, kiteiden kasvun aikana ja säteilyaltistuksen seurauksena . Ne voidaan ottaa käyttöön myös implantaation seurauksena . Tällaisten vikojen ominaisuudet ja niiden muodostumismekanismit ovat eniten tutkittuja, mukaan lukien liike, vuorovaikutus, tuhoutuminen ja haihtuminen .

Kiteissä havaitaan usein myös useista pistevioista koostuvia komplekseja, esimerkiksi: Frenkel-defekti (vakanssi + sisäinen interstitiaalinen atomi), divakanssi (vakanssi + vakanssi), A-keskus (vakanssi + happiatomi piissä ja germaniumissa) jne.

Pistevikojen termodynamiikka

Pistevirheet lisäävät kiteen energiaa, koska kunkin vian muodostumiseen kului tietty energia. Elastinen muodonmuutos aiheuttaa erittäin pienen osan tyhjiön muodostumisenergiasta, koska ionien siirtymät eivät ylitä 1 % ja vastaava muodonmuutosenergia on eV :n kymmenesosia . Interstitiaalisen atomin muodostumisen aikana viereisten ionien siirtymät voivat saavuttaa 20 % atomien välisestä etäisyydestä ja niitä vastaavan hilan elastisen muodonmuutoksen energia voi olla useita eV. Suurin osa pistevian muodostumiseen käytetystä energiasta liittyy atomirakenteen jakson ja atomien välisten sidosvoimien rikkomiseen. Metallin pistevika on vuorovaikutuksessa koko elektronikaasun kanssa. Positiivisen ionin poistaminen solmusta merkitsee negatiivisen pistevarauksen tuomista; johtavuuselektroneja hylätään tästä varauksesta, mikä lisää niiden energiaa. Teoreettiset laskelmat osoittavat, että fcc -kuparihilassa tyhjiön muodostumisenergia on noin 1 eV ja interstitiaalisen atomin 2,5 - 3,5 eV.

Huolimatta kiteen energian lisääntymisestä sen omien pistevikojen muodostumisen aikana, ne voivat olla termodynaamisessa tasapainossa hilassa, koska niiden muodostuminen johtaa entropian kasvuun. Korotetuissa lämpötiloissa vapaan energian entropiatermin TS kasvu pistevikojen muodostumisesta kompensoi kiteen U kokonaisenergian kasvua, ja vapaa energia osoittautuu minimaaliseksi.

Avointen työpaikkojen tasapainopitoisuus:

missä E 0  on yhden tyhjän tilan muodostumisenergia, k on Boltzmannin vakio, T on absoluuttinen lämpötila. Sama kaava pätee interstitiaalisille atomeille. Kaava osoittaa, että avoimien työpaikkojen pitoisuuden tulisi riippua voimakkaasti lämpötilasta. Laskentakaava on yksinkertainen, mutta tarkat kvantitatiiviset arvot voidaan saada vain tietämällä vian muodostumisenergian arvo. Tämän arvon laskeminen teoreettisesti on erittäin vaikeaa, joten on tyytyttävä vain likimääräisiin arvioihin.

Koska vian muodostumisenergia sisältyy eksponenttiin, tämä ero aiheuttaa valtavan eron vapaiden työpaikkojen ja interstitiaalisten atomien pitoisuudessa. Siten kuparissa 1000°C:ssa interstitiaalisten atomien pitoisuus on vain 10–39 , mikä on 35 suuruusluokkaa pienempi kuin vapaan työpaikan pitoisuus tässä lämpötilassa. Useimmille metalleille tyypillisissä tiiviissä pakkauksissa on erittäin vaikeaa muodostaa interstitiaalisia atomeja, ja tällaisten kiteiden tyhjät paikat ovat pääasiallisia vikoja (epäpuhtausatomeja lukuun ottamatta).

Point Defect Migration

Liikkeessä värähtelevät atomit vaihtavat jatkuvasti energiaa. Lämpöliikkeen satunnaisuudesta johtuen energia jakautuu epätasaisesti eri atomien kesken. Jossain vaiheessa atomi voi vastaanottaa niin paljon energiaa naapureiltaan, että se sijoittuu naapuripaikkaan hilassa. Näin kiteiden tilavuudessa tapahtuu pistevikojen siirtymistä (liikkumista).

Jos yksi tyhjiötä ympäröivistä atomeista siirtyy vapaalle paikalle, vapautus siirtyy vastaavasti paikalleen. Tietyn vapaan paikan peräkkäiset perusliikkeet suoritetaan eri atomeilla. Kuvasta näkyy, että tiiviisti pakattujen pallojen (atomien) kerroksessa, jotta yksi palloista siirrettäisiin vapaaseen paikkaan, sen on työnnettävä pallot 1 ja 2 erilleen. on minimaalinen, atomin on läpäistävä lisääntynyt tila potentiaalista energiaa, voita energiaeste. Tätä varten on välttämätöntä, että atomi saa naapureiltaan ylimääräisen energian, jonka se menettää "puristaen" uuteen asentoon. Energiaesteen Em korkeutta kutsutaan vapaan työpaikan siirtymisen aktivointienergiaksi .

Pistevikojen lähteet ja nielut

Pistevikojen pääasiallinen lähde ja nielu ovat lineaari- ja pintavirheet - katso alla. Suurissa täydellisissä yksittäiskiteissä ylikylläisen kiinteän sisäisten pistevikojen liuoksen hajoaminen on mahdollista muodostamalla ns. mikrovikoja.

Pistevirheiden kompleksit

Yksinkertaisin pistevirheiden joukko on divakanssi (divacancy): kaksi vapaata työpaikkaa vierekkäisillä hilapaikoilla. Toinen hyvin tunnettu kompleksi on ns. Frenkel-pari - atomi välirakenteessa ja sen lähellä oleva tyhjiö. Tärkeä rooli metalleissa ja puolijohteissa on komplekseilla, jotka koostuvat kahdesta tai useammasta epäpuhtausatomista sekä epäpuhtausatomeista ja sisäisistä pistevirheistä. Erityisesti tällaiset kompleksit voivat vaikuttaa merkittävästi kiinteiden aineiden lujuuteen, sähköisiin ja optisiin ominaisuuksiin.

Yksiulotteiset viat

Yksiulotteiset (lineaariset) viat ovat kidevirheitä, joiden koko yhdessä suunnassa on paljon suurempi kuin hilaparametri ja kahdessa muussa - verrattavissa siihen. Lineaarisia vikoja ovat dislokaatiot ja dislinaatiot . Yleinen määritelmä: dislokaatio on kiteen epätäydellisen leikkausalueen raja. Dislokaatioille on tunnusomaista leikkausvektori (Burgers-vektori) ja sen ja dislokaatioviivan välinen kulma φ. Kun φ = 0, dislokaatiota kutsutaan ruuvidislokaatioksi; kohdassa φ = 90° - marginaalinen; muissa kulmissa se sekoitetaan, ja sitten se voidaan hajottaa kierteisiksi ja reunakomponenteiksi. Dislokaatioita syntyy kiteen kasvuprosessissa; sen plastisen muodonmuutoksen aikana ja monissa muissa tapauksissa. Niiden jakautuminen ja käyttäytyminen ulkoisten vaikutusten alaisena määräävät tärkeimmät mekaaniset ominaisuudet, erityisesti, kuten lujuuden, plastisuuden sekä sähkönjohtavuuden jne. Disklinaatio on epätäydellisen pyörimisalueen raja kiteessä. Sille on ominaista rotaatiovektori.

Kaksiulotteiset viat

Tämän luokan pääasiallinen vika on kiteen pinta. Muita tapauksia ovat materiaalin raerajat, mukaan lukien matalakulmaiset rajat (jotka edustavat dislokaatioiden assosiaatioita), twinning -tasot ja faasien erotuspinnat.

3D-virheitä

Bulkkiviat. Näitä ovat vapaita työpaikkoja, jotka muodostavat huokosia ja kanavia; hiukkaset, jotka laskeutuvat eri vikojen päälle (koristelu), esimerkiksi kaasukuplat, emäliuokuplat; epäpuhtauksien kerääntyminen sektoreiden (tiimalasit) ja kasvuvyöhykkeiden muodossa. Yleensä nämä ovat epäpuhtausfaasien huokosia tai sulkeumia. Ne ovat monien vikojen yhdistelmä. Alkuperä - kiteen kasvujärjestelmien rikkominen, ylikyllästyneen kiinteän liuoksen hajoaminen, näytteiden saastuminen. Joissakin tapauksissa (esimerkiksi saostuskarkaisun aikana) materiaaliin tuodaan tarkoituksella tilavuusvirheitä sen fysikaalisten ominaisuuksien muuttamiseksi.

Menetelmiä vioista eroon pääsemiseksi

Tärkein menetelmä, joka auttaa pääsemään eroon kiteen vioista, on vyöhykesulatusmenetelmä . Tämä menetelmä soveltuu hyvin piille. Pieni osa kiteestä sulatetaan sulatteen uudelleenkiteyttämiseksi. Myös pelkkä hehkutus on käytössä. Vioilla korotetussa lämpötilassa on korkea diffuusiokerroin . Avoimet työpaikat voivat nousta pintaan, ja siksi puhutaan vikojen haihtumista.

Hyödyllisiä puutteita

Metallien plastisen muodonmuutoksen aikana (esim. takominen , valssaus ) syntyy lukuisia, avaruudessa eri tavoin suunnattuja dislokaatioita, mikä vaikeuttaa kiteen murtumista dislokaatioverkostoa pitkin. Siten metallin lujuus kasvaa, mutta samalla sitkeys heikkenee .

Keinotekoisesti kasvatettuihin rubiineihin , lasersafiireihin , elementtien epäpuhtauksiin ( Cr , Fe , Ti ) on lisätty - värityskeskuksia, jotka ovat mukana koherentin valon tuottamisessa.

Katso myös

Muistiinpanot

  1. ↑ Orlov A. N. Vikoja // Fyysinen tietosanakirja / Ch. toim. A. M. Prokhorov . - M .: Neuvostoliiton tietosanakirja , 1988. - T. 1. - S. 595-597. - 704 s. - 100 000 kappaletta.

Kirjallisuus