49486 IMG2 173 (2)

172 8. Defekty struktury krystalicznej

Wspólną cechą niezależną od rodzaju defektu jest wytwarzanie w jego najbjj szym otoczeniu pola odkształceń sprężystych sieci i towarzyszącego mu po/, naprężeń. Efektem jest większa w porównaniu z siecią idealną energia defektów zapewniająca im zdolność do wzajemnego oddziaływania oraz do przemieszczani się (migracji) w obrębie kryształu.

Doskonałość sieci przestrzennej rzeczywistego kryształu jest zakłócona w pierw, szym rzędzie drganiami cieplnymi. Atomy poruszają się ruchem drgającym dookoła położeń równowagi (środków drgań) zlokalizowanych w węzłach sieci. Drgania atomowe wywołane energią zewnętrzną zanikają w temperaturze zera bezwzględnego. Odznaczają się średnią amplitudą proporcjonalną do temperatury i średnią częstotliwością praktycznie niezależną od temperatury. W kryształach metalicznych średnia amplituda drgań jest rzędu: w temperaturze otoczenia 0,001 nm, a w tempe-raturze topnienia 0,2 nm (rzędu stałej sieciowej).

Drgania atomów są skoordynowane - mają wzajemnie uzależnione amplitudy. Drgania zespołu atomów traktuje się jako sinusoidalną falę: poprzeczną, jeżeli amplituda jest prostopadła do płaszczyzny sieciowej drgających atomów (rys. 8.la), albo podłużna, jeżeli amplituda jest równoległa do płaszczyzny sieciowej drgających atomów (rys. 8.Ib).

Ryv %\. Drgania atomów sieci przestrzennej, a) fala poprzeczna, b) fala podłużna

Duże amplitudy drgań w wysokich temperaturach, a zwłaszcza ich fluktuacje, umożliwiają poszczególnym atomom opuszczanie pozycji węzłowych, co stanowi najważniejszą przyczynę tworzenia się defektów struktury w stanie stałym.

WL DWm? PUNKTÓW

KIA. Klasyfikacja I geometria deiektów

'Wśród defektów punktowych wyróżnia się trzy klasy.

Yj defekty sieci obejmujące

-    wakanse (Nj, czyli „puste” nie obsadzone atomami węzły sieci (rys b.laY

-    atomy międzywęzłowe (Mj składnika bazowego obsadzające pozycje międzywęzłowe w łukacb sieci (rys. biby,

o)

00000

00000

00-00

00°00

00000

OOOOO

00-000

OQ-QOO

OOOOO

OOOOO

OOOOO

OOOOO

oofoo

OOOOO

OOOOO

OOOOO

OOOOO

00.000

ocrooo

OOOOO

Rys. 8 2. Defekty punktowe: a) wakans, b) atom międzywęzłowy, c) atom obcy węzłowy, d) atom obcy

międzywęzłowy

2)    defekty składu, tj. atomy obce (zanieczyszczeń) zlokalizowane w sieci składnika bazowego w pozycjach węzłowych (AJ (rys. 8.2c) lub międzywęzłowych (AJ (rys. 8.2d);

3)    defekty elektronowe, tj. zaburzenia w strukturze powłok elektronowych atomów, obejmujące

-    dziury elektronowe (h), czyli braki elektronu w powłoce, stanowiące w pewnym sensie odpowiednik wakansu o ładunku dodatnim,

-    defekty elektronowe (e'), czyli nadmiarowe elektrony w powłoce, będące swego rodzaju odpowiednikiem atomu międzywęzłowego o ładunku ujemnym.

W rzeczywistych kryształach występują defekty wszystkich klas, ale ich udział jest różny. W kryształach metalicznych i kowalencyjnych dominujący jest udział defektów sieci i składu, natomiast w kryształach jonowych i półprzewodnikowych kowalencyjnych znaczny udział mają defekty składu i elektronowe. W dalszym ciągu będzie mowa głównie o defektach sieci i składu, typowych dla materiałów metalicznych.

Defekt punktowy (sieci i składu) w najbliższym otoczeniu, zwanym jądrem (kula o promieniu 2 h- 4 odległości międzyatomowych), wywołuje lokalne pola odkształceń i naprężeń. Wakans powoduje kontrakcję, a atom międzywęzłowy ekspansję sieci. Atom obcy w pozycji węzłowej zależnie od wymiarów powoduje kontrakcję [R₀ < R) albo ekspansję (R₀ > R), a w pozycji międzywęzłowej, bez względu na wymiary - ekspansję sieci. Pole odkształceń jest wyraźnie anizotropowe (rys. 8.3), przy czym zawsze silniejsze w przypadku atomu międzywęzłowego niż wakansu.

Rys. 8.3. Anizotropia odkształcenia sieci wywołanego wakansem na płaszczyźnie (łll) struktury RSC