Кристаллографический дефект - Википедия - Crystallographic defect

Электронная микроскопия антиструктур (а, Mo замещает S) и вакансий (b, отсутствующие атомы S) в a монослой из дисульфид молибдена. Шкала шкалы: 1 нм.[1]

Кристаллографические дефекты прерывания регулярных закономерностей в кристаллические твердые вещества. Они распространены, потому что позиции атомы или же молекулы при повторяющихся фиксированных расстояниях, определяемых ячейка параметры в кристаллах, которые демонстрируют периодическую Кристальная структура, как правило, несовершенны.[2][3][4][5]

Точечные дефекты

Точечные дефекты - это дефекты, которые возникают только в одной точке решетки или вокруг нее. Они не простираются в пространстве ни в каком измерении. Строгие пределы того, насколько мал точечный дефект, обычно явно не определяются. Однако эти дефекты обычно связаны с несколькими лишними или отсутствующими атомами. Обычно более крупные дефекты в упорядоченной структуре рассматриваются вывих петли. По историческим причинам многие точечные дефекты, особенно в ионных кристаллах, называются центры: например, вакансия во многих ионных твердых телах называется центром люминесценции, центром окраски или F-центр. Эти дислокации обеспечивают перенос ионов через кристаллы, что приводит к электрохимическим реакциям. Они часто указываются с помощью Обозначения Крегера – Винка.

  • Дефекты вакансий узлы решетки, которые были бы заняты в идеальном кристалле, но пусты. Если соседний атом перемещается, чтобы занять вакантную позицию, вакансия перемещается в направлении, противоположном позиции, которая раньше была занята движущимся атомом. Стабильность окружающей кристаллической структуры гарантирует, что соседние атомы не будут просто коллапсировать вокруг вакансии. В некоторых материалах соседние атомы фактически удаляются от вакансии, потому что они испытывают притяжение со стороны окружающих атомов. Вакансию (или пару вакансий в ионном твердом теле) иногда называют Дефект Шоттки.
  • Межстраничные дефекты атомы, которые занимают место в кристаллической структуре, в котором обычно нет атома. Обычно это высокоэнергетические конфигурации. Небольшие атомы (в основном примеси) в некоторых кристаллах могут занимать пустоты без высокой энергии, например водород в палладий.
Схематическое изображение некоторых простых типов точечных дефектов в одноатомном твердом теле
  • Соседнюю пару вакансии и межстраничного объявления часто называют Дефект Френкеля или пара Френкеля. Это происходит, когда ион перемещается в междоузлия и создает вакансию.

  • Из-за фундаментальных ограничений методов очистки материалов, материалы никогда не бывают чистыми на 100%, что по определению вызывает дефекты в кристаллической структуре. В случае примеси атом часто включается в регулярную атомную позицию в кристаллической структуре. Это не вакантный узел и не атом на межузельном узле, и он называется замещающий дефект. Предполагается, что атом не находится где-либо в кристалле и, следовательно, является примесью. В некоторых случаях, когда радиус замещающего атома (иона) значительно меньше, чем радиус замещающего атома (иона), его положение равновесия может быть смещено от узла решетки. Эти типы дефектов замещения часто называют нецентральные ионы. Существует два различных типа дефектов замещения: изовалентное замещение и алиовалентное замещение. Изовалентное замещение - это когда ион, замещающий исходный ион, имеет ту же степень окисления, что и ион, который он заменяет. Алиовалентное замещение - это когда ион, который замещает исходный ион, имеет другую степень окисления, чем ион, который он заменяет. Алиовалентные замещения изменяют общий заряд внутри ионного соединения, но ионное соединение должно быть нейтральным. Следовательно, требуется механизм компенсации заряда. Следовательно, либо один из металлов частично или полностью окисляется или восстанавливается, либо создаются ионные вакансии.
  • Антисайтовые дефекты[6][7] возникают в упорядоченном сплаве или соединении, когда атомы разного типа обмениваются позициями. Например, некоторые сплавы имеют правильную структуру, в которой каждый второй атом принадлежит к другому виду; для иллюстрации предположим, что атомы типа A находятся в углах кубической решетки, а атомы типа B находятся в центре кубов. Если один куб имеет атом A в центре, этот атом находится в позиции, обычно занятой атомом B, и, таким образом, является дефектом антисайта. Это не вакансия, не междоузлие, не примесь.
  • Топологические дефекты - это области в кристалле, где обычная химическая среда связи топологически отличается от окружающей среды. Например, в идеальном листе графита (графен ) все атомы находятся в кольцах, содержащих шесть атомов. Если на листе есть области, в которых количество атомов в кольце отличается от шести, а общее количество атомов остается прежним, образовался топологический дефект. Примером может служить Дефект Каменного Уэльса в нанотрубках, который состоит из двух соседних 5-членных и двух 7-членных атомных колец.
Схематическое изображение дефектов в составном твердом теле на примере GaAs.
  • Также аморфный твердые тела могут содержать дефекты. Их, естественно, довольно сложно определить, но иногда их природу можно довольно легко понять. Например, в идеально связанных аморфных кремнезем все атомы Si имеют 4 связи с атомами O, а все атомы O имеют 2 связи с атомом Si. Таким образом, например, атом O только с одной связью Si (a болтающаяся облигация ) можно считать дефектом кремнезема.[8] Более того, дефекты также могут быть определены в аморфных твердых телах на основе пустых или плотно упакованных локальных атомных окрестностей, и можно показать, что свойства таких «дефектов» аналогичны нормальным вакансиям и межузельным элементам в кристаллах.[9][10][11]
  • Между точечными дефектами разного типа могут образовываться комплексы. Например, если вакансия встречает примесь, они могут соединиться вместе, если примесь слишком велика для решетки. Промежуточные узлы могут образовывать «разделенные межузельные» или «гантельные» структуры, в которых два атома эффективно разделяют атомный узел, в результате чего ни один из атомов фактически не занимает этот узел.[12][13]

Линейные дефекты

Линейные дефекты можно описать с помощью калибровочных теорий.

Вывихи линейные дефекты, вокруг которых смещены атомы кристаллической решетки.[14]Есть два основных типа дислокаций: край дислокация и винт вывих. Также распространены «смешанные» вывихи, сочетающие в себе аспекты обоих типов.

An краевая дислокация Показано. Линия дислокации представлена ​​синим цветом, вектор Бюргерса b - черным.

Краевые дислокации вызваны прекращением плоскости атомов в середине кристалла. В таком случае соседние плоскости не прямые, а вместо этого изгибаются по краю конечной плоскости, так что кристаллическая структура идеально упорядочена с обеих сторон. Уместна аналогия со стопкой бумаги: если в стопку вложить половину листка бумаги, дефект в стопке заметен только на краю половины листа.

Винтовую дислокацию труднее визуализировать, но в основном она представляет собой структуру, в которой спиральный путь прослеживается вокруг линейного дефекта (линии дислокации) атомными плоскостями атомов в кристаллической решетке.

Наличие дислокации приводит к деформации (искажению) решетки. Направление и величина такого искажения выражаются через Вектор гамбургеров (б). Для краевого типа b перпендикулярно линии дислокации, а для винтового типа - параллельно. В металлических материалах b совмещен с кристаллографическими направлениями плотной упаковки, и его величина эквивалентна одному межатомному расстоянию.

Дислокации могут двигаться, если атомы из одной из окружающих плоскостей разрывают свои связи и повторно соединяются с атомами на конечном крае.

Именно наличие дислокаций и их способность легко перемещаться (и взаимодействовать) под действием напряжений, вызванных внешними нагрузками, приводит к характерному пластичность металлических материалов.

Вывихи можно наблюдать с помощью просвечивающая электронная микроскопия, полевая ионная микроскопия и атомный зонд техники.Переходная спектроскопия глубокого уровня был использован для изучения электрической активности дислокаций в полупроводниках, в основном кремний.

Дисклинации являются линейными дефектами, соответствующими «добавлению» или «вычитанию» угла вокруг линии. По сути, это означает, что если вы отслеживаете ориентацию кристалла вокруг дефекта линии, вы получаете поворот. Обычно считалось, что они играют роль только в жидких кристаллах, но недавние разработки предполагают, что они могут играть роль и в твердых материалах, например ведущий к самовосстановлению трещины.[15]

Плоские дефекты

Происхождение дефектов упаковки: различные последовательности укладки плотноупакованных кристаллов.
  • Границы зерен возникают там, где резко меняется кристаллографическое направление решетки. Обычно это происходит, когда два кристалла начинают расти отдельно, а затем встречаются.
  • Противофазные границы возникают в упорядоченных сплавах: в этом случае кристаллографическое направление остается тем же, но каждая сторона границы имеет противоположную фазу: например, если обычно упорядочение ABABABAB (шестиугольный плотно упакованный кристалл), противофазная граница принимает форму ABABBABA.
  • Ошибки укладки встречаются в ряде кристаллических структур, но общий пример находится в плотно упакованный конструкции. Они образуются в результате локального отклонения последовательности укладки слоев в кристалле. Примером может служить последовательность укладки ABABCABAB.
  • А двойная граница является дефектом, вносящим плоскость зеркальной симметрии в упорядочение кристалла. Например, в кубический плотно упакованный кристаллов, последовательность расположения двойниковой границы будет ABCABCBACBA.
  • На самолетах монокристаллы, ступеньки между атомарно плоскими террасами также можно рассматривать как плоские дефекты. Было показано, что такие дефекты и их геометрия оказывают существенное влияние на адсорбцию органических молекул.[16]

Массовые дефекты

  • Трехмерные макроскопические или объемные дефекты, такие как поры, трещины или включения
  • Пустоты - небольшие области, где нет атомов, и которые можно рассматривать как кластеры вакансий.
  • Примеси могут группироваться вместе, образуя небольшие участки другой фазы. Их часто называют осаждает.

Математические методы классификации

Успешный метод математической классификации физических дефектов решетки, который работает не только с теорией дислокаций и других дефектов в кристаллах, но также, например, для дисклинации в жидких кристаллах и для возбуждений в сверхтекучих 3Он - топологический гомотопия теория.[17]

Методы компьютерного моделирования

Теория функций плотности, классический молекулярная динамика и кинетический Монте-Карло [18]Моделирование широко используется для изучения свойств дефектов в твердых телах с помощью компьютерного моделирования.[9][10][11][19][20][21][22] Моделирование заклинивания твердых сфер разного размера и / или в контейнерах несопоставимых размеров с помощью Алгоритм Любачевского – Стиллингера может быть эффективным методом для демонстрации некоторых типов кристаллографических дефектов.[23]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Hong, J .; Hu, Z .; Проберт, М .; Ли, К .; Lv, D .; Ян, X .; Gu, L .; Mao, N .; Feng, Q .; Xie, L .; Zhang, J .; Wu, D .; Zhang, Z .; Jin, C .; Ji, W .; Чжан, X .; Yuan, J .; Чжан, З. (2015). «Исследование атомных дефектов в монослоях дисульфида молибдена». Nature Communications. 6: 6293. Bibcode:2015НатКо ... 6,6293ч. Дои:10.1038 / ncomms7293. ЧВК  4346634. PMID  25695374.
  2. ^ Эрхарт, П. (1991) Свойства и взаимодействия атомных дефектов в металлах и сплавах В архиве 2013-02-03 в Archive.today, том 25 Ландольта-Бёрнштейна, Новая серия III, глава 2, стр. 88, Шпрингер, Берлин
  3. ^ Сигель, Р. В. (1982) Атомные дефекты и диффузия в металлах, в Точечные дефекты и взаимодействия дефектов в металлах, Ж.-И. Такамура (ред.), Стр. 783, Северная Голландия, Амстердам
  4. ^ Crawford, J. H .; Слифкин, Л. М., ред. (1975). Точечные дефекты в твердых телах. Нью-Йорк: Пленум Пресс.
  5. ^ Уоткинс, Г. Д. (1997) "Собственные дефекты и их взаимодействие с примесями в кремнии", с. 139 дюйм Дефекты и диффузия при обработке кремния, Т. Диас де ла Рубиа, С. Коффа, П. А. Столк и К. С. Рафферти (ред.), Т. 469 материалов симпозиума MRS, Общество исследования материалов, Питтсбург, ISBN  1-55899-373-8
  6. ^ Маттила, Т; Ниеминен, Р.М. (1995). «Прямое образование антиструктур при электронном облучении GaAs». Письма с физическими проверками. 74 (14): 2721–2724. Bibcode:1995ПхРвЛ..74.2721М. Дои:10.1103 / PhysRevLett.74.2721. PMID  10058001.
  7. ^ Hausmann, H .; Пиллюкат, А .; Эрхарт, П. (1996). "Точечные дефекты и их реакции в GaAs, облученном электронами, исследованы методом оптической абсорбционной спектроскопии". Физический обзор B. 54 (12): 8527–8539. Bibcode:1996PhRvB..54.8527H. Дои:10.1103 / PhysRevB.54.8527. PMID  9984528.
  8. ^ Либ, Клаус-Петер; Кейнонен, Юхани (2006). «Люминесценция облученного ионами α-кварца». Современная физика. 47 (5): 305–331. Bibcode:2006ConPh..47..305L. Дои:10.1080/00107510601088156.
  9. ^ а б Ашкенази, Йинон; Авербак, Роберт С. (2012). «Облучение, вызванное граничным потоком зерна - новый механизм ползучести в наномасштабе». Нано буквы. 12 (8): 4084–9. Bibcode:2012НаноЛ..12.4084А. Дои:10.1021 / nl301554k. PMID  22775230.
  10. ^ а б Mayr, S .; Ashkenazy, Y .; Albe, K .; Авербак Р. (2003). «Механизмы радиационно-индуцированного вязкого течения: роль точечных дефектов». Phys. Rev. Lett. 90 (5): 055505. Bibcode:2003ПхРвЛ..90э5505М. Дои:10.1103 / PhysRevLett.90.055505. PMID  12633371.
  11. ^ а б Нордлунд, К; Ашкенази, Y; Averback, R. S; Гранато, А. В. (2005). «Струны и межузельные частицы в жидкостях, стеклах и кристаллах». Europhys. Латыш. 71 (4): 625–631. Bibcode:2005ЭЛ ..... 71..625Н. Дои:10.1209 / epl / i2005-10132-1.
  12. ^ Ханнес Ребигер (2010). «Теория комплексов дефектов в изоляторах». Физический обзор B. 82 (7): 073104. Bibcode:2010PhRvB..82g3104R. Дои:10.1103 / PhysRevB.82.073104.
  13. ^ Ханнес Ребигер, Хикару Накаяма и Такеши Фудзита (2014). «Контроль энергии связывания дефектов и магнитного взаимодействия в разбавленных магнитных полупроводниках путем манипуляции зарядовым состоянием». Журнал прикладной физики. 115 (1): 012008. Bibcode:2014JAP ... 115a2008R. Дои:10.1063/1.4838016.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  14. ^ Hirth, J. P .; Lothe, J. (1992). Теория дислокаций (2-е изд.). Krieger Pub Co. ISBN  978-0-89464-617-1.
  15. ^ Чендлер, Дэвид Л., Треснувший металл, исцели себя, Новости MIT, 9 октября 2013 г.
  16. ^ Вальдманн, Т. (2012). «Роль поверхностных дефектов в адсорбции больших органических молекул: эффекты конфигурации подложки». Физическая химия Химическая физика. 14 (30): 10726–31. Bibcode:2012PCCP ... 1410726 Вт. Дои:10.1039 / C2CP40800G. PMID  22751288.
  17. ^ Мермин, Н. (1979). «Топологическая теория дефектов в упорядоченных средах». Обзоры современной физики. 51 (3): 591–648. Bibcode:1979РвМП ... 51..591М. Дои:10.1103 / RevModPhys.51.591.
  18. ^ Cai, W .; Булатов, В. В .; Justo, J. F .; Argon, A.S; Ип, С. (2000). «Собственная подвижность диссоциированной дислокации в кремнии». Phys. Rev. Lett. 84 (15): 3346–3349. Bibcode:2000ПхРвЛ..84.3346С. Дои:10.1103 / PhysRevLett.84.3346. PMID  11019086.
  19. ^ Корхонен, Т; Пуска, М .; Ниеминен, Р. (1995). «Энергии образования вакансий для переходных металлов с ГЦК и ОЦК». Phys. Ред. B. 51 (15): 9526–9532. Bibcode:1995PhRvB..51.9526K. Дои:10.1103 / PhysRevB.51.9526. PMID  9977614.
  20. ^ Puska, M. J .; Pöykkö, S .; Pesola, M .; Ниеминен Р. (1998). «Сходимость расчетов сверхъячейки для точечных дефектов в полупроводниках: вакансия в кремнии». Phys. Ред. B. 58 (3): 1318–1325. Bibcode:1998ПхРвБ..58.1318П. Дои:10.1103 / PhysRevB.58.1318.
  21. ^ Nordlund, K .; Авербак Р. (1998). «Роль межузельных атомов на высокотемпературные свойства металлов». Phys. Rev. Lett. 80 (19): 4201–4204. Bibcode:1998ПхРвЛ..80.4201Н. Дои:10.1103 / PhysRevLett.80.4201.
  22. ^ Sadigh, B; Леноски, Томас; Тайсс, Сильва; Катурла, Мария-Хосе; Диас де ла Рубиа, Томас; Фоад, Маджид (1999). "Механизм диффузии бора в кремнии: исследование Ab Initio и кинетическое Монте-Карло". Phys. Rev. Lett. 83 (21): 4341–4344. Bibcode:1999ПхРвЛ..83.4341С. Дои:10.1103 / PhysRevLett.83.4341.
  23. ^ Стиллинджер, Фрэнк Х .; Любачевский, Борис Д. (1995). «Паттерны нарушенной симметрии в кристалле жесткого диска, возмущенного примесью». Журнал статистической физики. 78 (3–4): 1011–1026. Bibcode:1995JSP .... 78.1011S. Дои:10.1007 / BF02183698.

дальнейшее чтение

  • Хаген Кляйнерт, Калибровочные поля в конденсированных средах, Vol. II, «Напряжения и дефекты», стр. 743–1456, World Scientific (Сингапур, 1989); Мягкая обложка ISBN  9971-5-0210-0
  • Герман Шмальцрид: Реакции твердого тела. Verlag Chemie, Weinheim 1981, ISBN  3-527-25872-8.