Дефекти кристалічних грат презентації. Дефекти у кристалах

Cлайд 1

ВЛАСТИВОСТІ ДЕФЕКТІВ ТА ЇХ АНСАМБЛІВ У КОНДЕНСОВАНИХ СЕРЕДОВИЩАХ Радіаційна фізика твердого тіла

Cлайд 2

Розділ 1 Види окремих елементарних дефектів та їх властивості. Дефекти в простих речовинах 1.1.Класифікація дефектів простих речовин 1.1.1.Міжвузли 1.1.2. Характеристики точкових дефектів 1.1.4. Міжвузля у найпростіших речовинах та його характеристики 1.1.5. Дефекти пакування 1.1.6. Неупорядковані метали. Домішні дефекти 1.1.7. Упорядковані метали. Типи грат з упорядкуванням 1.2.Рівноважні та нерівноважні дефекти 1.2.1.Рівноважна концентрація точкових дефектів у простих речовинах 1.3. Дефекти сплавів 1.3.1.Метрика далекого порядку в сплавах 1.3.2.Метрика ближнього порядку в сплавах, що впорядковуються. Зв'язок далекого порядку і середнього значення ближнього порядку в сплавах, що впорядковуються 1.3.3.Температурна залежність концентрація рівноважних дефектів заміщення в сплавах, що впорядковуються 1.3.4. Температурна залежність концентрація рівноважних вакансій у сплавах, що упорядковуються

Cлайд 3

Розділ 2. Опис дефектів кристалічної структури в рамках теорії пружності 2.1. Основні положення механіки суцільного середовища 2.1.1. Визначення 2.1.2. Закон Гука 2.1.3. Закон Гука в узагальненому вигляді 2.1.4. Загальний вид рівнянь в абсолютних усуненнях 2.2. Зміщення атомів у кристалічній решітці з точковими дефектами. Зміна обсягу 2.3. Поведінка дефекту у зовнішньому полі усунення 2.4. Щільність внутрішніх сил, еквівалентних центру дилатації 2.5. Взаємодія дефектів із зовнішнім пружним полем 2.6. Пружна взаємодія точкових дефектів 2.7. Безперервний розподіл точкових дефектів у пружному полі 2.8. Течія кристала. Повзучість 2.9. Кінетика пір у кристалі 2.10. Нестійкість однорідного розподілу точкових дефектів 2.11. Дислокації 2.12. Пластична деформація кристалів 2.13. Одновимірна модель дислокації – модель Френкеля-Конторової

Cлайд 4

Розділ 3. Радіаційні дефекти 3.1. МЕТОДИ СТВОРЕННЯ РАДІАЦІЙНИХ ДЕФЕКТІВ 3.1.1. Опромінення в реакторі 3.1.2. Опромінення на прискорювачах важких іонів 3.1.3. Опромінення у високовольтному електронному мікроскопі 3.1.4. Основні переваги та недоліки експресивних методів радіаційного випробування 3.2. Первинні процеси взаємодії частинок та випромінювань із твердим тілом 3.2.1. Загальні уявлення про процеси взаємодії частинок із твердим тілом 3.2.2. Взаємодія нейтронів із речовиною 3.2.3. Взаємодія прискорених іонів із речовиною 3.2.4. Розподіл по глибині проникнення впроваджених іонів та дефектів, створених іонами 3.2.5. Взаємодія електронів із речовиною 3.2.6. Взаємодія – квантів із речовиною 3.3. Основні умови відтворюваності явищ реакторного ушкодження при опроміненні на прискорювачі

Cлайд 5

Розділ 4. Теоретичне порівняння структури випадкових полів радіаційних дефектів, що утворюються при опроміненні швидкими частинками у плівкових зразках 4.1. Каскад атомних зіткнень. Індивідуальні показники 4.2. Випадкове поле дефектів. Статистика ушкоджень 4.3. Модель розріджених каскадів 4.4. Модель щільних каскадів 4.5. Параметри імітації 4.6. Імітаційні співвідношення модельних спектрів ПВА 4.7. Методика визначення часового ресурсу надпровідних з'єднань 4.8. Розрахунок характеристик поля ушкоджень при опроміненні тонких плівок іонами та нейтронами зі спектром, близьким до реального спектру ТЯР

Cлайд 6

Введення «Фізика реального твердого тіла» вивчає фізичні явища та процеси, що зумовлені або виникають при високому вмісті дефектів у твердому тілі, намагається виробити передбачувальні теорії, що визначають характеристики твердого тіла. Усі області застосування та «вимушеного» використання твердого тіла, так чи інакше, визначаються дефектами структури. Найпростіші приклади: провідність ідеального твердого тіла дорівнює нулю; критичний струм у надпровідниках також дорівнює нулю без піннінгу системи вихорів на дефектах структури. Важливим напрямом є контрольоване введення в матрицю домішок та дефектів, а також радіаційно-стимульована зміна структури. Початок інтенсивного розвитку цього напряму відповідає появі напівпровідникових приладів. Цей напрямок можна назвати «Фізичною технологією» оскільки конструювання та створення нових приладів та інструментарію дослідників визначається розробкою детальної фізичної картини процесів, інтерпретації вимірюваних величин. Природне зменшення розмірів об'єктів, що вивчаються, і нові вимірювальні можливості призвели до появи нового напряму «Наносистеми». Контрольоване введення в матрицю домішок та дефектів представляє і фізичний інтерес для аналізу застосування тих чи інших уявлень фізики конденсованих середовищ. Наприклад, для аналізу механізму надпровідності у сполуках із структурою А15, ВТСП.

Cлайд 7

Ряд проблемних завдань фізики конденсованих систем має фундаментальний характер Пророцтво механічних властивостей реальних твердих тіл, у тому числі в інтенсивних радіаційних полях; Електричні властивості та явища у конденсованих системах з високим вмістом дефектів; Механізми надпровідності, у тому числі високотемпературної, поліпшення критичних параметрів надпровідників; Електронні та фотонні властивості органічних напівпровідників та кристалів

Cлайд 8

Cлайд 9

Класифікація дефектів звичайних речовин. Визначення: Будь-які порушення чи спотворення регулярності розташування атомів кристала вважають дефектом кристалічної решітки. Розрізняють такі види окремих дефектів: Тепловий рух атомів Міжвузельні атоми та вакансії Домішні атоми Кордон кристала Полікристали Дислокації Статичні зміщення решітки поблизу дефекту

Cлайд 10

1.Теплове рух атомів відхилення атомів від положення рівноваги; це термодинамічно-рівноважний вид дефекту, що має динамічний характер.

Cлайд 11

2.Міжвузельні атоми та вакансії. Ці дефекти мають тенденцію бути рівноважними. Характерний час релаксації до рівноважного стану може бути більшим. Дійсно, процес дифузії дефектів, що визначає їх розподіл у твердому тілі, є процесом, що термоактивується, тому при недостатньо великих температурах часто зустрічаються нерівноважні стану систем цих дефектів. Значною відмінністю систем точкових дефектів є їх взаємодії між собою (через атоми матриці), що призводить, зокрема, до утворення їх комплексів (ансамблів), конденсату в матриці, тобто. рівноважний стан системи точкових дефектів у більшості випадків є неоднорідним у просторі (наприклад, вакансії – ансамбль вакансій – час).

Cлайд 12

3. Атоми домішок Домішки, навіть при малій концентрації, можуть істотно впливати на властивості кристала, наприклад, вони роблять помітний внесок у провідність напівпровідників Щільність атомів у конденсованих системах 1022 - 1023 атомів/см3, концентрація дефектів залежно від передісторії отримання зразка змінюється від 1012 - 1020 атом/см3.

Cлайд 13

4. Кордон кристала Цей дефект призводить до спотворень навіть усередині матриці і порушення кристалічної симетрії в областях що примикають до кордону. Картина зерен у полікристалі 5. Полікристали зерна або кристаліти з різною орієнтацією. Обсяг зерен більший за фізично представницький обсяг. Поперечний розмір зерен порядку 10-3 10-6 см. Властивості полікристалів обумовлені як самими кристалічними зернами, так і межзеренними межами. Якщо зерна малі і орієнтовані хаотично, то полікристалах не проявляється анізотропія властивостей, властива, наприклад, монокристалу. Якщо є певна орієнтація зерен, то полікристал є текстурованим і має анізотропію.

Cлайд 14

Вихід крайової дислокації на кордон Гвинтова дислокація зростання кристала. 5. Дислокації – нерівноважний тип дефекту, тобто. їхня поява обумовлена ​​передісторією зразка і пов'язана або зростанням кристаліту, або дією зовнішніх навантажень або впливів. Розрізняють кілька типів дислокацій: крайові, гвинтові, змішані. Їх скупчення часто формують межзеренние кордону.

Cлайд 15

Залежно від розмірності розрізняють такі типи дефектів: 1. Точкові дефекти: Міжвузельні атоми та вакансії, Примесные атомы 2. Лінійні дефекти: Дислокації 3. Плоскі дефекти: Кордон кристала, Полікристали Феноменологічні характеристики точкових дефектів: - Енергія освіти; - Енергія міграції; - Дилатаційний обсяг.

Cлайд 16

В ідеальній структурі будь-якого типу атом займає положення, що відповідає вузлу решітки. Зайвий атом, котрого немає відповідного вузла, займає междоузельное становище. Таких положень може бути кілька. Різні види междоузельных атомів вуглецю у ґратах алмазу: а – Тетраедрическое – T; б - Гексагональне -H; в - міжвузля посередині зв'язку - M; г - Розщеплене міжвузля (гантель -). Міжвузля

Cлайд 17

Зайвий атом, для якого немає відповідного вузла, займає міжвузелове положення і обурює розподіл електронної щільності всередині елементарного осередку Власне міжвузля в алмазі Розподіл електронної густини в елементарному осередку алмазу і в осередку містить тетраедричний міжвуглецевий атом. Рівень зображених із поверхонь той самий =1.25

Cлайд 18

Вакансії в ковалентних з'єднаннях Відсутність атома у вузлі ґрат створює точковий дефект типу вакансії: Конфігурація вакансії та дивакансії в алмазі Картина зсувів відрізняється від зсувів для міждоузельних атомів напрямком, зазвичай найближче оточення зміщується до порожнього вузла. У з'єднаннях іонного типу вакансії утворюються парами, що є більш вигідною енергетично конфігурацією для даної структури (дефект Шоттки). Дається взнаки необхідність дотримання нейтральності. Такий тип дефектів проявляються тим вигідніше, що вища іонність зв'язку, наприклад, NaCl. Зазначимо також, що у ВТСП типу YBa2Cu3O7 зв'язок спостерігається частково іонного зв'язку.

Cлайд 19

Атома немає у відповідному вузлі, що призводить до обурення розподіл електронної щільності всередині елементарного осередку Одиночна вакансія в алмазі Розподіл електронної щільності в ідеальному елементарному осередку алмазу і в осередку містить одиночну вакансію. Рівень зображених із поверхонь один і той же =1.25

Cлайд 20

Cлайд 21

Модель освіти вакансії у простих речовинах Можна запропонувати наступний механізм освіти вакансії. Атом виноситься на межу кристала, причому кількість частинок в системі не змінюється. Справді, просте видалення атома з вузла грати кристала на нескінченність змінює число частинок у системі і розрахунку термодинамічного потенціалу системи потрібно враховувати цей факт. В околиці вакансії буде відбуватися релаксація атомів (червоні стрілки на малюнку). Вважатимемо, що два атоми речовини взаємодіють один з одним за допомогою парного потенціалу взаємодії, який не залежить від оточення атомів.

Cлайд 22

Енергія атома, що знаходиться у вузлі кристала, дорівнює Eвузл = z1 * φ (R *), де число найближчих сусідів порядку z1 6 - 8, R * - рівноважна міжатомна відстань, оцінка потенціалу φ (R *) може бути зроблена, наприклад, з енергії сублімації речовини, що дає φ(R*) ≈ 0.2 ÷ 0.3eV. Таким чином, величина енергії атома у вузлі решітки дорівнює Eвузл ~ 1.6 ÷ 2.4 еВ. Така енергія має бути витрачена на розрив зв'язків під час утворення вакансії. Проте вийнятий атом розміщується лежить на поверхні, отже, вважатимуться, що половина розірваних зв'язків відновлюється. Енергія атома, що знаходиться на поверхні, дорівнює. Таким чином, величина енергія формування вакансії Ef ≈ 0.8 ÷ 1.2 еВ. Міграція вакансії Розглянемо міграцію вакансій. Щоб атом А перестрибнув на порожній вузол, в якому розташована вакансія, здавалося б, йому не потрібно долати бар'єр, але це не так - треба розірвати зв'язки. Розрахунок енергії формування вакансії

Cлайд 23

Крім того, уздовж траєкторії міграції вакансії (або атома А) виникає енергетичний бар'єр (енергетична лінза), що створюється найближчими атомами. Це найбільш наочно видно у тривимірному кристалі Число найближчих сусідів у перерізі ABCD зазвичай менше, ніж у вузлі, z2 = 4. Якщо припустити, що парний потенціал змінюється слабко, то величину енергетичного бар'єру для міграції вакансії можна оцінити Emγ ≈ 0.8 ÷ 1 еВ.

Cлайд 24

Дилатаційний обсяг вакансії Нехай ω0 – обсяг, що припадає на один атом твердого тіла. При освіті вакансії поверхня з допомогою релаксації спотвориться, і обсяг кристала V зміниться. Оцінки дають приблизно δV(1)= - 0.1ω0, це результат був отриманий на підставі результатів дилатаційних експериментів, пов'язаних із введенням у зразок безлічі вакансій. Зазначимо, що в матриці навколишнього середовища освіти вакансії відбувається деяке збільшення щільності речовини за рахунок релаксації. У розглянутому вище механізмі освіти вакансії атом виходить поверхню. Пов'язана з цим додаткова зміна обсягу становить V(2)=+ω0. Таким чином, сумарна зміна об'єму кристала дорівнює: δV=δV(1) + δV(2) =+0.9ω0 Зміна об'єму

Дефекти у кристалах. Кристал заповнений дефектами. Як впливають дефекти на міцність кристалів. Вони знижують міцність у сотні, тисячі разів. Але в міру того, як зростає деформація кристала, зростає і кількість дефектів у ньому. Оскільки дефекти взаємодіють друг з одним, те, що їх більше, тим важче їм рухатися в кристалі. Виходить парадокс: якщо є дефект кристал - кристал деформується і руйнується легше, ніж дефекту немає. А якщо дефектів занадто багато, то кристал знову стає міцним, і чим більше дефектів, тим більше впорядковується. Отже, якщо ми навчимося керувати числом та розташуванням дефектів, ми зможемо керувати міцністю матеріалів.

Слайд 21із презентації «Кристал». Обсяг архіву з презентацією 1397 КБ.

Хімія 11 клас

короткий зміст інших презентацій

"Класифікація речовин" - Розподіліть речовини. Прості речовини-метали. Золото. Zn. Сірка. Класифікація речовин. CO. Cl2. Метали та неметали. Виключіть зайву за класифікаційною характеристикою речовину. Прості речовини-неметали. Na2o. O2. Срібло. О.С.Габріелян. 11 клас. Розподіліть речовини за класами.

«Кругообіг елементів у природі» - Денітрофікуючі бактерії. Рослинні білки. Бактерії. атмосфера. Блискавки. Кругообіг азоту. Великий кругообіг. Розкладаються організми. У різних мінералах фосфор міститься у вигляді неорганічного фосфатіону (PO43-). Фосфор входить до складу генів і молекул, що переносять енергію усередину клітин. Панівною формою знаходження кисню у атмосфері є молекула О2. Штучні фосфатні добрива; миючі засоби. Фосфати розчиняються у воді, але не леткі.

«Дисперсні системи хімія» - Дисперсна система тверда речовина – рідина. Пористий шоколад. Хрящі. Дим. Мінерали. Середовище та фаза – рідини. Кераміка. Синерезис визначає терміни придатності харчових, медичних та косметичних гелів. В медицині. Шипучі напої. Дисперсна система газ – рідина. Зміг. У харчовій промисловості. Поролон. Золі Гелі. Справжні розчини. Полістирол. Суспензії. Дисперсна система рідина – газ. Гелі. Фаза та середовище легко поділяються відстоюванням.

"Періодична система хімія" - І. Деберейнер, Ж. Дюма, французький хімік А. Шанкуртуа, англ. хіміки У. Одлінг, Дж. Менделєєв про місце елемента у системі; становище елемента визначається номерами періоду та групи. передбачення «екаалюмінію» (майбутнього Ga, відкритого П. Лекоком де Буабодраном в 1875), «екобору» (Sc, відкритого шведським ученим Л. Нільсоном в 1879) і «екасиліція» (Ge, відкритого німецьким ученим К. Вінклером). 1829 р - "тріади" Деберейнера 1850 г "диференціальні системи" Петтенкофера та Дюма. 1864г Мейєр - таблиця, що показує співвідношення атомних ваг для кількох характерних груп елементів. Ньюлендс – існування груп елементів, подібних за хімічними властивостями. Колчина Н. 11 "А". Періодичний закон, Періодична система хімічних елементів Д. І. Менделєєва.

«Засоби гігієни та косметики» - як миючий засіб. Дія другої групи дезодорантів ґрунтується на частковому придушенні процесів потовиділення. Для артистів Пудри Пероксид водню. Значення слів. Косметичні декоративні пудри – багатокомпонентні суміші. Косметичні засоби. Виконано: Шестериковою Світланою Ученицею 11 класу ГОУ ЗОШ №186. Трішки історії. І стадія. Функції миючого засобу. Мила та миючі засоби.

"Срібло хімія" - Азотнокисле срібло, або ляпіс - кристали ромбічної системи. Бородавка після припікання нітратом срібла. Срібло мистецтво. AgNO3 дуже добре розчинно. І які небезпеки таїть у собі загадковий метал? Утворює метали з багатьма металами. Більшість солей срібла слаборозчинні у воді, а всі розчинні сполуки – токсичні. Технології одержання чистого металевого срібла.

Дифузія процес перенесення матерії або енергії з області з високою концентрацією область з низькою. Дифузія є процесом на молекулярному рівні і визначається випадковим характером руху окремих молекул. Дифузія в кристалах - це процес, у якому атоми можуть переходити з одного вузла до іншого. Автоіонна мікроскопія – це метод прямого спостереження кристалічних ґрат металів і сплавів з атомарною роздільною здатністю.

Дифузійні процеси у твердих тілах помітно залежать від структури даного кристала та від дефектів кристалічної будови. Дефекти, з'являючись у речовині, або полегшують атомні переміщення, або ускладнюють їх, працюючи як пастки мігруючих атомів.

ДИФУЗІЯ - ПРОЦЕС ВИПАДКОВИХ блукань Перший закон Фіка: Частота стрибків атомів: n = n 0 e - Q / kT, де Q - енергія активації дифузії, k - постійна Больцмана, n 0 - константа. Коефіцієнт дифузії D залежить від температури кристала за законом Арреніуса: D = D 0 e - Q / kT Енергія активації дифузії залежить як від енергії утворення конкретного дефекту E f, так і від енергії активації його міграції E m Q = E f + E m .

АТОМНІ МЕХАНІЗМИ ДИФУЗІЇ Механізм обміну атомів місцями; кільцевий механізм; механізм прямого переміщення атомів по міжвузлям; механізм непрямого переміщення міжвузлової конфігурації; краудіонний механізм; вакансійний механізм; дивакансіонний механізм; механізми дифузії з дислокацій; механізми дифузії за межами зерен у полікристалах.

ВАКАНСІЙНІ МЕХАНІЗМИ Енергія активації міграції за вакансійним механізмом для таких металів, як мідь, срібло, залізо тощо, дорівнює приблизно еВ (той самий порядок величини має і енергія утворення вакансії). Найпростішим вакансійним кластером є поєднання двох вакансій – бівакансія (2V). Енергія, необхідна такого переміщення, часто виявляється меншою, ніж однієї вакансії.

МІЖУЗЕЛЬНІ МЕХАНІЗМИ Поява міжузельних атомів у кристалах може бути обумовлена ​​способом приготування або експлуатації матеріалу. Межузельні атоми можна розділити в кристалах на власні та домішкові (сторонні) міжвузельні атоми. Сторонні (домішні) атоми також у більшості випадків утворюють із власними атомами гантелі, але їх називають змішаними. Достаток межузельных змін породжує достаток механізмів міграції з допомогою межузельных атомів.

Вакансія повинна притягуватися в область стиснення над крайнім атомним рядом зайвої напівплощини, а міжвузельний атом - в область розширення, розташовану знизу напівплощини. Найпростіші дислокації є дефектом у вигляді незавершеної всередині кристала атомної напівплощини.

Дифузія за дефектними місцями у кристалах має специфічні особливості. Насамперед вона йде легше, ніж дифузія за бездефектними механізмами. Але її джерела небезмежні: концентрації дефектів у процесі дифузії практично завжди зменшуються за рахунок анігіляції різноїменних дефектів, відходу дефектів на так звані стоки. Але якщо концентрація дефектів велика, їх роль дифузії настільки зростає, що призводить до так званої прискореної дифузії, прискореним фазово-структурним перетворенням у матеріалах, прискореної повзучості матеріалів під навантаженням і т.п. ефектів.

ВИСНОВОК Перелік механізмів міграції по дефектних місцях в кристалах постійно поповнюється принаймні дедалі більше поглибленого вивчення дефектів кристалічного будови речовини. Включення тієї чи іншої механізму у процес дифузії залежить багатьох умов: від рухливості даного дефекту, його концентрації, температури кристала та інших чинників.

Слайд 1

Фізика твердого тіла. Частина 2.

Реальні кристали (так само, як і «реальні пацани») - це ідеальні кристали, які ростуть не в потрібних місцях.

Слайд 2

Ви знаєте, звичайно, що вода (при нормальному тиску) замерзає при 0°. Якщо знижується температура, то при 0° вода почне замерзати, перетворюватися на кристали льоду. Поки вся вода не замерзне, температура її не знижуватиметься далі. Якщо, навпаки, нагрівати кристал льоду до 0° він залишиться незмінним. Як тільки температура досягне 0 °, кристал відразу почне танути. Скільки б ми не гріли далі, температура льоду не підвищуватиметься, доки весь лід не розтане. Лише коли весь кристал, розтанутий, перетвориться на воду (іншими словами, поки не розпадеться лад усіх частинок), температура води може почати підвищуватися. Будь-яка кристалічна речовина плавиться і кристалізується за строго певної температури плавлення: залізо - при 1530°, олово - при 232°, кварц - при 1713°, ртуть-при мінус 38°. У некристалічних твердих тіл немає постійної температури плавлення (а значить, і температури кристалізації), при нагріванні вони поступово розм'якшуються.

Слайд 3

Способи вирощування кристалів Один із них – охолодження насиченого гарячого розчину. При кожній температурі в даній кількості розчинника (наприклад у воді) може розчинитися не більше певної кількості речовини. Якщо розчин охолоджувати повільно, зародків утворюється небагато, і, обростаючи поступово з усіх боків, вони перетворюються на красиві кристали правильної форми. При швидкому охолодженні утворюється багато зародків, причому частинки з розчину «сипатимуться» на поверхню кристаликів, що ростуть, як горох з порваного мішка; звичайно, правильних кристалів при цьому не вийде, тому що частинки, що знаходяться в розчині, можуть просто не встигнути «влаштуватися» на поверхні кристала на належне їм місце. Інший метод отримання кристалів – поступове видалення води із насиченого розчину. "Зайва" речовина при цьому кристалізується. І в цьому випадку, чим повільніше випаровується вода, тим краще виходять кристали.

Слайд 4

Третій спосіб – вирощування кристалів із розплавлених речовин при повільному охолодженні рідини. При використанні всіх способів найкращі результати виходять, якщо використовується травлення - невеликий кристал правильної форми, який поміщають в розчин або розплав. Таким способом одержують, наприклад, кристали рубіну. Вирощування кристалів дорогоцінного каміння проводять дуже повільно, іноді роками. Якщо ж прискорити кристалізацію, замість одного кристала вийде маса дрібних. Цей спосіб можна здійснити лише у спеціальних пристроях. Нині понад половину технічно важливих кристалів вирощують із розплаву. Один із найбільш широко використовуваних промислових методів отримання напівпровідникових та інших монокристалів це метод Чохральського. Розроблено у 1918 році. Вихідний матеріал (шихту) завантажують тугоплавкий тигель і нагрівають до розплавленого стану. Потім затравальний кристал у вигляді тонкого стрижня діаметром кілька мм встановлюють в охолоджуваний кристалотримач і занурюють в розплав

Слайд 5

Ян Чохральський (1885 - 1953) - польський хімік, винахідник широко відомого в даний час методу вирощування монокристалів з розплаву шляхом витягування їх вгору від вільної поверхні, названої згодом його ім'ям. За деякими відомостями, Чохральський відкрив свій знаменитий метод у 1916 році, коли випадково впустив свою ручку в тигель із розплавленим оловом. Витягаючи ручку з тигля, він виявив, що за металевим пером тягнеться тонка нитка застиглого олова. Замінивши перо ручки мікроскопічним шматочком металу, Чохральський переконався, що металева нитка, що утворюється таким чином, має монокристалічну структуру. В експериментах, проведених Чохральським, були отримані монокристали розміром близько одного міліметра в діаметрі і до 150 см завдовжки

Слайд 6

Дефекти кристала Описуючи будову кристалів, ми досі користувалися ідеальними моделями. Відмінність реальних кристалів від ідеальних полягає в тому, що реальні кристали не мають правильної кристалічної решіткою. Вони завжди зустрічаються порушення суворої періодичності у розташуванні атомів. Ці порушення називають дефектами у кристалах. Дефекти утворюються в процесі росту кристалів під впливом теплового руху молекул, механічних впливів, опромінення потоками частинок, через наявність домішок та ін. Розрізняють кілька видів дефектів за розмірністю. А саме, бувають нульмерні (точкові), одномірні (лінійні), двовимірні (плоскі) та тривимірні (об'ємні) дефекти.

Слайд 7

До нульмерних (або точкових) дефектів кристала відносять усі дефекти, які пов'язані зі зміщенням або заміною невеликої групи атомів (власні точкові дефекти), а також з домішками. Вони виникають при нагріванні, легуванні, у процесі росту кристала та внаслідок радіаційного опромінення. Можуть вноситися також у результаті імплантації. Властивості таких дефектів та механізми їх утворення найбільш вивчені, включаючи рух, взаємодію, анігіляцію, випаровування. Дефекти, звані точковими, виникають при заміщенні одного з атомів кристалічних ґрат атомом домішки (а), впровадження атома між вузлами ґрат (б) або внаслідок утворення вакансій - відсутності атома в одному з вузлів ґрат (в).

Слайд 8

Домішки заміщення, замінюючи частинки основної речовини у вузлах решітки, впроваджуються в решітку тим легше, чим ближче атомні (іонні) радіуси домішкової та основної речовини. Домішки застосування займають междоузлия і до того легше, що більше обсяг простору між атомами. Впровадженими можуть бути як власні, так і домішкові атоми або іони, що відрізняються від основних атомів за розміром або валентністю. Якщо чужорідний атом виявляється у вузлі, це дефект заміщення, якщо у междоузлии, це атом застосування. Рівноважні положення, які займають міжвузлові атоми, залежать від матеріалу та типу ґрат. Сусідні атоми у вузлах кристалічних ґрат дещо зміщуються, викликаючи невелику деформацію. Вакансії – є найважливішим різновидом точкових дефектів; вони прискорюють усі процеси, пов'язані з переміщенням атомів: дифузія, спікання порошків тощо. У технічно чистих металах точкові дефекти підвищують електроопір, але в механічні властивості майже впливають. Лише при високих концентраціях дефектів в опромінених металах знижується пластичність і помітно змінюються інші властивості.

Слайд 9

Як можуть виникати точкові дефекти? Згідно з основними принципами статистичної фізики, навіть у тому випадку, коли середня кінетична енергія атомів дуже мала, завжди знайдеться деяка кількість атомів з більшою енергією, достатньою для виходу атома з вузла кристалічних ґрат. Переміщаючись кристалом і віддаючи частину своєї енергії іншим атомам, такий атом може розміститися в міжвузлях. Сукупність атома в міжвузлі та вакансії називається дефектом за Френкелем (або парою Френкеля). Вакансія та міжвузеловий атом пов'язані значними пружними силами.

Дефекти за Френкелем легко виникають у кристалах, що містять значні міжатомні порожнини. Прикладом таких кристалів можуть бути речовини зі структурою алмазу або кам'яної солі.

Слайд 10

Точкові дефекти по Шоттки в основному зустрічаються в кристалах із щільною упаковкою, де утворення міжузельних атомів утруднене або енергетично невигідне. Деякі атоми з поверхневого шару в результаті теплового руху можуть вийти з кристала на поверхню (рис.). Вакансія в вузлі, що звільнився, може потім мігрувати в об'єм кристала. Утворення дефектів за Шоттками зменшує щільність кристала, тому що зростає його об'єм при постійній масі, тоді як при утворенні дефектів Френкеля щільність залишається незмінною, оскільки об'єм всього тіла не змінюється.

Вальтер Герман Шоттки (1886 - 1976) - знаменитий німецький фізик, у 1915 році винайшов електронну лампу з сіткою, що екранує, і в 1919 тетрод. У 1938 Шотткі сформулював теорію, що передбачає ефект Шоттки, що зараз використовується в діодах Шоттки.

Слайд 11

Таким чином, являючи собою далеко не настільки досконалу, впорядковану і в деякій мірі монотонну послідовність позитивних і негативних іонів, що чергуються, реальні кристали містять широкий набір цікавих точкових дефектів, які, як ми побачимо, можуть сильно впливати на багато їх властивостей. Це, як ми вже казали, власні дефекти, концентрація яких залежить від температури, а крім того, і невласні, домішкові дефекти, які або є випадково, або додані цілеспрямовано під час вирощування кристала. Всі ці дефекти можна вважати квазічастинками. Подібно до реальних частинок у ваккуумі, вони можуть пересуватися і взаємодіють між собою на далеких відстанях з утворенням складніших структур.

Слайд 12

Процеси перенесення в кристалах Часто помилково вважають, що такі загальновідомі лужно-галоїдні сполуки, як хлористий натрій і хлористий калій, є ізоляторами, насправді вони порівняно хороші провідники, це особливо справедливо при підвищених температурах. Факт існування провідності, і навіть те, що у іонних твердих тілах досить легко протікають як самодифузія, і дифузія домішкових іонів, служать незаперечними доказами присутності у яких точкових дефектів. Чимало з цих матеріалів немає електронної провідності - виміри показують, що провідність обумовлена ​​міграцією іонів. Однак без існування вакансій чи впроваджених атомів рух іонів у такому класичному іонному провіднику неможливий: для цього потрібна була б надто велика енергія. Завдяки дефектам та їх переміщенням (рис.) процес руху іона перетворюється на обмін місцями іона та дефекту; при цьому величина необхідної енергії зменшується.

Слайд 13

Дифузія (лат. diffusio - поширення, розтікання, розсіювання, взаємодія) - процес взаємного проникнення молекул однієї речовини між молекулами іншої, що призводить до мимовільного вирівнювання їх концентрацій по всьому об'єму, що займається. У деяких ситуаціях одна з речовин має вирівняну концентрацію і говорять про дифузію однієї речовини в іншій. При цьому перенесення речовини відбувається з області з високою концентрацією область з низькою концентрацією (за градієнтом концентрації). У кристалах дифундувати можуть як власні атоми решітки (самодифузія або гомодифузія), так і атоми інших хімічних елементів, розчинених у речовині (доміська або гетеродифузія), а також точкові дефекти структури кристала - міжвузелові атоми та вакансії.

Слайд 14

Дифузія є процесом на молекулярному рівні і визначається випадковим характером руху окремих молекул. Швидкість дифузії у зв'язку з цим пропорційна середній швидкості молекул. Якщо в суміші газів маса однієї молекули вчетверо більша за іншу, то така молекула пересувається вдвічі повільніше порівняно з її рухом у чистому газі. Відповідно, швидкість дифузії її також нижча. Ця різниця у швидкості дифузії легких та важких молекул застосовується, щоб розділяти субстанції з різними молекулярними вагами. Як приклад можна навести поділ ізотопів. Якщо газ, що містить два ізотопи, пропускати через пористу мембрану, легші ізотопи проникають через мембрану швидше, ніж важкі. Для кращого поділу процес проводиться у кілька етапів. Цей процес широко застосовувався для розподілу ізотопів урану (відділення 235U від основної маси 238U). (Зараз для поділу ізотопів урану застосовується метод центрифугування, при якому газ, що містять уран, наводиться в дуже швидке обертання і через різницю в масі молекул відбувається поділ ізотопів, які потім переводять назад у метал.)

Слайд 15

Дифузія феноменологічно підпорядковується законам Фіка. 1-й закон Фіка встановлює пропорційність дифузійного потоку частинок градієнту їхньої концентрації; 2-й закон Фіка визначає зміну концентрації, зумовлене дифузією. Явище дифузії було вперше досліджено вюрцбурзьким ученим А. Фіком з прикладу соляних розчинів. Фік шляхом ретельних досліджень показав, що вільна дифузія соляних розчинів відбувається за законами, абсолютно аналогічними до законів поширення тепла в твердих тілах.

Слайд 16

Дифузія в кристалах Деякі загальні кристалографічні особливості процесу дифузії цілком очевидні, якщо взяти до уваги геометрію кристала. Насамперед, дифузія майже завжди здійснюється поступово, причому довжина елементарних «кроків» порядку одного атомного діаметра, тобто кілька ангстрем. Атоми рухаються стрибками з одного положення у ґратах в інше. У сумі ці елементарні стрибки забезпечують переміщення атомів великі відстані. З'ясуємо, який механізм окремих атомних стрибків. Існує кілька можливих схем: рух вакансій, рух атомів впровадження або спосіб взаємного обміну місцями між атомами (рис).

Атомні переміщення, що призводять до дифузії: а – рух вакансій; б – рух атомів застосування; в – обмін місцями двох атомів; г – кільцевий обмін місцями чотирьох атомів

Слайд 17

Грунтуючись на уявленні про точкові дефекти в кристалах, Френкель запропонував два основних механізми дифузії в твердих тілах: вакансійний (рис, а: атом переміщається, обмінюючись місцями з вакансією) і міжвузеловий (рис, б атом переміщається по міжвузлям). Другим способом переміщаються маленькі (за розміром) атоми домішок, а першим - решта: це найпоширеніший механізм дифузії.

Яків Ілліч Френкель (1894 - 1952) - радянський вчений, фізик-теоретик, один з основоположників фізики твердого тіла. З 1921 року і до кінця свого життя Френкель працював у Ленінградському фізико-технічному інституті. Починаючи з 1922 року Френкель публікував щороку нову книгу. Він став автором першого курсу теоретичної фізики у СРСР.

Слайд 18

Дислокації Дислокація - лінійний дефект кристалічної решітки твердого тіла, що є наявність "зайвої" атомної напівплощини. Найпростіша наочна модель крайової дислокації - книга, у якої від однієї із внутрішніх сторінок відірвано частину. Тоді, якщо сторінки книги уподібнити атомним площинам, край відірваної частини сторінки моделює лінію дислокації. Розрізняють дислокації гвинтові та крайові.

Слайд 19

Щоб у ідеальному кристалі утворилася дислокація, необхідно зробити зсув у деякій частині площини ковзання

Щільність дислокацій змінюється у межах і залежить стану матеріалу. Після ретельного відпалу щільність дислокацій мала, в кристалах з сильно деформованими кристалічними гратами щільність дислокацій досягає дуже великих величин.

Слайд 20

Щільність дислокацій значною мірою визначає пластичність та міцність матеріалу. Якщо щільність менша за деяке значення, то опір деформуванню різко зростає, а міцність наближається до теоретичної. Таким чином, підвищення міцності досягається створенням металу з бездефектною структурою, а також, з іншого боку, підвищенням щільності дислокацій, що ускладнює їх рух.

Слайд 21

При пластичному деформуванні одна частина кристала переміщається по відношенню до іншої під дією дотичних напруг. При знятті навантажень зсув залишається, тобто. відбувається пластична деформація. Додаток напруги зсуву призводить до переміщення крайової дислокації, причому зміщення її осі на одну трансляцію означає зміну напівплощини, що утворює дислокацію. Переміщення крайової дислокації через весь кристал призведе до зсуву частини кристала одну міжатомну відстань. Результатом цього є пластична деформація кристала (рис.), т. Е. Частини кристала виявляються зміщені один щодо одного на одну трансляцію.

Метал, що знаходиться в напруженому стані, при будь-якому вигляді навантаження завжди відчуває напруги нормальні та дотичні. Зростання нормальних та дотичних напружень призводить до різних наслідків. Зростання нормальних напруг призводить до тендітного руйнування. Пластичну деформацію викликають дотичні напруження.

Слайд 22

Підвищення міцності досягається створенням металу з бездефектною структурою, а також підвищенням щільності дислокацій, що ускладнює їх рух. В даний час створені кристали без дефектів - ниткоподібні кристали довжиною до 2 мм, товщиною 0,5 ... 20 мкм - "вуса" з міцністю, близькою до теоретичної. Дислокації впливають як на міцність і пластичність, а й інші властивості кристалів. Зі збільшенням густини дислокацій змінюються їх оптичні властивості, підвищується електроопір металу. Дислокації збільшують середню швидкість дифузії в кристалі, прискорюють старіння та інші процеси, зменшують хімічну стійкість, тому внаслідок обробки поверхні кристала спеціальними речовинами у місцях виходу дислокацій утворюються ямки.

Слайд 23

Епітаксія - це закономірне наростання одного кристалічного матеріалу на іншому (від грец. επι - на і ταξισ - упорядкованість), тобто орієнтоване зростання одного кристала на поверхні іншого (підкладки). Мінімальна енергія витрачається, якщо зростання кристала відбувається по гвинтовій дислокації.

Слайд 24

Дякую за увагу!

Слайд 1

Ідеальних кристалів, у яких всі атоми перебували в положеннях з мінімальною енергією, практично немає. Відхилення від ідеальної решітки можуть бути тимчасовими та постійними. Тимчасові відхилення виникають при впливі на кристал механічних, теплових та електромагнітних коливань, при проходженні через кристал потоку швидких частинок і т. д. До постійних недосконалостей відносяться:

Слайд 2


точкові дефекти (міжузельні атоми, вакансії, домішки). Точкові дефекти малі у всіх трьох вимірах, їх розміри по всіх напрямках не більше кількох атомних діаметрів;

Слайд 3


лінійні дефекти (дислокації, ланцюжки вакансій та міжузельних атомів). Лінійні дефекти мають атомні розміри у двох вимірах, а в третьому - вони значно більше розміру, який може бути порівнянний з довжиною кристала;

Слайд 4


плоскі, чи поверхневі, дефекти (кордону зерен, межі самого кристала). Поверхневі дефекти малі лише в одному вимірі;

Слайд 5


об'ємні дефекти, або макроскопічні порушення (закриті та відкриті пори, тріщини, включення сторонньої речовини). Об'ємні дефекти мають відносно великі розміри, несумірні з атомним діаметром, у всіх трьох вимірах.

Слайд 6


Як міжузельні атоми, і вакансії є термодинамическими рівноважними дефектами: за кожної температури в кристалічному тілі є цілком певну кількість дефектів. Домішки в ґратах є завжди, оскільки сучасні методи очищення кристалів не дозволяють ще отримувати кристали з вмістом домішкових атомів менше 10 см-3. Якщо атом домішки заміщає атом основної речовини у вузлі ґрат, він називається домішкою заміщення. Якщо домішковий атом впроваджується в міжвузля, його називають домішкою застосування.

Слайд 7


Вакансія – відсутність атомів у вузлах кристалічних ґрат, «дірки», які утворилися внаслідок різних причин. Утворюється при переході атомів з поверхні в навколишнє середовище або з вузлів решітки на поверхню (кордони зерен, порожнечі, тріщини і т. д.), в результаті пластичної деформації, бомбардування тіла атомами або частинками високих енергій. Концентрація вакансій значною мірою визначається температурою тіла. Поодинокі вакансії можуть зустрічатися та об'єднуватись у дивакансії. Накопичення багатьох вакансій може призвести до утворення пор і порожнеч.