Строение кристаллов.
В зависимости от строения, кристаллы делятся на ионные, ковалентные, молекулярные и металлические. Ионные кристаллы построены из чередующихся катионов и анионов, которые удерживаются в определенном порядке силами электростатического притяжения и отталкивания. Электростатические силы ненаправленные: каждый ион может удержать вокруг себя столько ионов противоположного знака, сколько помещается. Но при этом силы притяжения и отталкивания должны быть уравновешены и должна сохраняться общая электронейтральность кристалла. Все это с учетом размеров ионов приводит к различным кристаллическим структурам. Так, при взаимодействии ионов Na+ (их радиус 0,1 нм) и Cl– (радиус 0,18 нм) возникает октаэдрическая координация: каждый ион удерживает около себя шесть ионов противоположного знака, расположенных по вершинам октаэдра. При этом все катионы и анионы образуют простейшую кубическую кристаллическую решетку, в которой вершины куба попеременно заняты ионами Na+ и Cl–. Аналогично устроены кристаллы KCl, BaO, CaO, ряда других веществ.
Дефектами кристалла называют всякое нарушение трансляционной симметрии кристалла — идеальной периодичности кристаллической решётки. Различают несколько разновидностей дефектов по размерности. А именно, бывают нульмерные (точечные), одномерные (линейные), двумерные (плоские) и трёхмерные (объемные) дефекты.
Дефекты делятся на макроскопические, возникающие в процессе образования и роста кристаллов (например, трещины, поры, инородные макроскопические включения), и микроскопические, обусловленные микроскопическими отклонениями от периодичности.
Микродефекты делятся на точечные и линейные. примером точечной: вакансии — отсутствие атома в узле кристаллической решетки. Линейные дефекты нарушают дальний порядок. Как следует из опытов, механические свойства кристаллов в значительной степени определяются дефектами особого вида — дислокациями. Дислокации — линейные дефекты, нарушающие правильное чередование атомных плоскостей.
Примесизамещения заменяют частицы основного вещества в узлах решетки. Они внедряются в решетку тем легче, чем ближе атомные (ионные) радиусы примесного и основного вещества. Примесивнедрения занимают междоузлия и притом тем легче, чем больше объем пространства между атомами: Так, в плотно упакованных ГЦК-металлах меньшие по размерам примесные атомы В, С, Si, N, О внедряются в тетраэдрические или октаэдрические междоузлия или же вытесняют из узла атом и образуют с ним пару типа гантели, ориентированную вдоль - В полупроводниковых кристаллах со структурой типа алмаза или сфалерита атомы примеси легко внедряются в четыре незанятые тетраэдрические пустоты или в пустоту в центре ГЦК-ячейки.
Влияние точечных дефектов на свойства кристаллов
Плотность материала уменьшается при возрастании концентрации вакансий.
Диффузия в кристаллах осуществляется так, что диффундирующий атом движется в определенном направлении путем перескоков в вакантные места решетки; этот же процесс можно рассматривать как дрейф вакансий в противоположном направлении. Внедренные атомы и вакансии деформируют решетку, поэтому для образования вакансии рядом с внедренным атомом — собственным или примесным — требуется меньшая энергия, чем для образования ее в любом другом участке кристалла; именно поэтому вакансия взаимодействует с диффундирующим атомом.
Очень велико влияние точечныхдефектов на электропроводность кристалла. В полупроводниковых кристаллах перенос зарядов осуществляется движением электронов, несущих отрицательный заряд, или дырок, несущих положительный заряд. В очень чистых полупроводниках число электронов проводимости n равно числу дырок p и имеет место только собственная проводимость. В примесных полупроводниковых кристаллах условие n=p нарушается и проводимость определяется концентрацией примесных точечных дефектов и их валентной структурой. Избыточные валентные электроны да ют вклад в проводимость n-типа, а избыточные дырки — в проводимость p-типа. Поэтому в полупроводниковых кристаллах примеси чрезвычайно резко влияют на электропроводность. Так, столь ничтожная добавка примеси, как один атом бора на 105 атомов, в моно кристалле кремния повышает электропроводность кремния в 103 раз (при комнатной температуре).
Ионнаяпроводимость в кристаллах определяется движением заряженных точечных дефектов — вакансий, междоузельных собственных или примесных ионов. В отсутствие внешнего электрического поля есть определенная вероятность перемещения иона из узла решетки в соседнюю вакансию, но эти перемещения случайны и не направленны. Если же на кристалл накладывается электрическое поле, то ионы одного знака, например, катионы, движутся в одном направлении, а соответствующие им вакансии — в противоположном. Поэтому по величине протекающего тока можно измерять концентрации вакансий и примесных атомов. Результат, однако, зависит от того, являются ли точечные дефекты одиночными или же образуют комплексы, подвижность которых тем меньше, чем сложнее комплекс.
Концентрацию и состояние точечных дефектов в кристалле определяют по измерению плотности кристалла или параметров ее решетки, по ионной проводимости или электрическому Сопротивлению, по диэлектрическим потерям, по поглощению или рассеянию света, по данным электрического парамагнитного резонанса.