Что относится к точечным дефектам
Точечные дефекты – основы материаловедения
Точечный дефект — это нарушение кристаллической структуры, размеры которого во всех трех измерениях сравнимы с одним или несколькими межатомными расстояниями. Точечный дефект может иметь простую или сложную структуру.
Междоузельным называют атом (ион), расположенный в междоузлии (простой дефект). Ai означает атом A в междоузлии. Вероятность размещения атома в междоузлии определяется прежде всего относительным объемом междоузлия (пустоты) и размером междоузельного атома. Наиболее существенную роль в типичных полупроводниках со структурами типа алмаза, сфалерита и вюртцита играют октаэдрические и тетраэдрические пустоты, находящиеся между атомами, центры которых расположены соответственно в вершинах октаэдра и тетраэдра.
Вакансии, возникающие за счет ухода атома из узла на поверхность кристалла или на какую-либо границу внутри кристалла, называют дефектами Шоттки.1
Парный дефект (вакансия + междоузельный атом), возникающий за счет перехода атома из узла решетки в междоузлие, называют дефектом Френкеля.
1В некоторых работах дефектом Шоттки называют пару из катионной и анионной вакансий. В этом случае дефект Шоттки уже парный дефект, то есть сложный [27].
Рис. 3.2. Схематическое изображение образования «акцепторной связи» вокруг вакансии в двумерной решетке.
Точечные дефекты в кристаллах могут быть как электрически неактивными, так и электрически активными. В частности, вакансии и междоузельные атомы в полупроводниках могут находиться как в электрически неактивном, так и в электрически активном состоянии (однои многозарядном). Рассмотрим, например, процесс образования электрически активной вакансии. При образовании вакансий в ковалентном кристалле возникают оборванные связи. Перераспределение ковалентных связей у атомов, окружающих вакансию, схематически показано на рис. 3.2. Можно предположить, что неспаренный электрон атома E взаимодействует с неспаренными электронами атомов B и D. В результате один валентный электрон осуществляет связь не между двумя, а между тремя атомами. Такая связь оказывается нестабильной и может вести себя как акцепторная. Процесс ионизации вакансии при этом описывается схе
Таким образом, в элементарных полупроводниках, не содержащих примесей, могут существовать четыре вида простых точечных дефектов, а именно: электрически неактивные вакансии и междоузельные атомы основного вещества, заряженные вакансии и междоузельные атомы основного вещества.
Образование точечных дефектов всех типов требует затраты энергии. Энергия образования одной вакансии или междоузельного атома, как правило, имеет порядок нескольких электронвольт, но энергия образования междоузельного атома немного (в 1.5–2 раза) больше, чем энергия образования вакансии. Эта энергия тратится на разрыв связей при образовании точечного дефекта и на искажение решетки вокруг дефекта, вызванное смещением атомов из равновесных положений. Рассматривая кристалл как сплошную упругую среду, можно показать, что упругие напряжения вокруг точечного дефекта убывают пропорционально 1/r 3, где r — расстояние от дефекта. Энергия образования точечного дефекта
может быть снижена за счет объединения простых точечных дефектов в группы или комплексы. Например, процесс взаимодействия между вакансией и междоузельным атомом, ведущий к их взаимной аннигиляции, наиболее энергетически выгоден. Но и объединение двух вакансий в одну дивакансию также энергетически выгодно, так как при этом уменьшается число оборванных связей.
К аналогичному выводу приводит анализ возможности образования комплекса, содержащего вакансию и атом примеси. В случае электрически неактивных дефектов образование такого комплекса уменьшает энергию упругих искажений решетки и поэтому энергетически выгодно. В случае заряженных примеси и вакансии дополнительный выигрыш энергии возникает еще и из-за кулоновского взаимодействия между заряженной вакансией и ионом примеси.
Вероятность образования комплексов (сложных дефектов) из простых точечных дефектов тем выше, чем больше их энергия связи (то есть связанный с комплексообразованием выигрыш в энергии) и чем выше концентрация одиночных дефектов (то есть чем больше вероятность их встречи). Свойства сложных точечных дефектов, как правило, отличны от свойств образующих их простых дефектов.
Простые точечные дефекты в химических соединениях более разнообразны, чем в элементарных веществах.
Помимо вакансий и междоузельных атомов, в соединениях важную роль играют так называемые антиструктурные дефекты — дефекты, которые образуются при взаимном обмене местами атомов элементов, образующих соединение. Такие дефекты наиболее часто возникают в соединениях, в которых размеры и электроотрицательность образующих их атомов близки, то есть роль ионной составляющей связи невелика. Антиструктурное разупорядочение наблюдается, например, в Bi2Te3. В ионных кристаллах антиструктурные дефекты практически не встречаются.
Особенностью соединений является также образование точечных дефектов при отклонении состава от стехиометрического в области гомогенности (см. гл. 4). Отклонение от стехиометрии приводит к образованию вакансий в большинстве полупроводников (образуются твердые растворы вычитания), но могут образовываться и междоузельные атомы. Например, в GaAs избыток Ga создает вакансии As, а избыток As приводит к появлению вакансий Ga и, кроме того, междоузельных атомов As. Однако в этом случае вакансию и междоузельный атом нельзя объединить в один парный дефект, поскольку вакансия Ga и междоузельный атом As не могут аннигилировать.
Следует иметь в виду тот факт, что при образовании дефектов кристалл в целом остается электронейтральным. Выполнение этого условия обеспечивается образованием равного количества положительно и отрицательно заряженных дефектов, образованием электрически неактивных сложных дефектов или же образованием свободных электронов или дырок. Нейтрализация дефектов решетки с помощью электронов и дырок тем более вероятна, чем больше их в разрешенных зонах, то есть чем уже запрещенная зона. В кристаллах с широкой запрещенной зоной более вероятна нейтрализация точечных дефектов путем образования равного количества противоположно заряженных дефектов (вторичные дефекты).
Например, в некоторых кристаллах избыток анионов B− приводит к тому,
что катионные вакансии становятся донорами A+, а избыток катионов — к тому, что анионные вакансии становятся акцепторами. При этом образуется такое количество вторичных дефектов, которое необходимо для обеспечения электронейтральности кристалла.
Точечные дефекты могут перемещаться по кристаллу путем диффузии, взаимодействовать друг с другом и с другими дефектами (см. ниже).
Основные механизмы образования точечных дефектов
1. Тепловые колебания атомов. Любой кристалл, даже самый совершенный, можно представить идеальным (бездефектным) только при абсолютном нуле температуры. При T > 0 K тепловое движение атомов приводит к возникновению точечных дефектов — вакансий, междоузельных атомов, дефектов Френкеля и т. д. При любой отличной от нуля температуре имеется некоторая равновесная концентрация дефектов, при которой полная энергия кристалла G = H − TS минимальна (здесь G —
потенциал Гиббса, H — внутренняя энергия или энтальпия, S — энтропия). Действительно, рассмотрим, например, образование вакансий в идеальном кристалле при T > 0. Пусть кристалл содержит N узлов в единице объема, в каждом из которых при 0 K расположен атом, и потенциал Гиббса системы в этом состоянии равен G0. Пусть при повышении температуры за счет тепловых флуктуаций возникает Nд дефектов Шоттки в единице объема кристалла и теперь N атомов и Nд вакансий размещается по (N + Nд) узлам. Образование Nд вакансий вызывает повышение G на
где W — энергия образования одной вакансии в кристалле; ∆Sкол — изменение энтропии, связанное с отклонением от упорядоченного расположения атомов, вызванным тепловыми колебаниями атомов около узлов
Рис. 3.3. Зависимость полной энергии кристалла от концентрации вакансий.
решетки; ∆Sконф — изменение энтропии, связанное с распределением атомов и дефектов по узлам решетки. Величины W и ∆Sкол всегда положительны,2 но, как правило, W > ∆Sкол в 6–8 раз.
Повышенная, по сравнению с равновесной, концентрация дефектов при низких температурах может получаться в результате закалки (быстрого охлаждения) кристалла. Закалка может резко изменить механические и электрические свойства материала. Экспериментальные данные показывают, что резкое охлаждение материала от высоких температур до комнатной сохраняет некоторую часть избыточных тепловых вакансий. Чем больше скорость охлаждения и чем совершеннее кристалл, тем большая часть вакансий сохраняется в метастабильном состоянии. При сильно неравновесных условиях охлаждения возможно пересыщение кристалла вакансиями, тогда они могут объединяться и образовывать поры, перерастающие иногда в «отрицательные» кристаллы.4
2. Пластическая деформация. Вакансии и междоузельные атомы
могут возникать и исчезать в процессе движения и пересечения дислокаций, образующихся при пластической деформации кристалла (см. ниже).
4 Отрицательный кристалл — это пора в кристалле, имеющая ту же форму, что и сам кристалл.
3. Облучение. При облучении материала частицами высокой энергии (например, быстрыми электронами с энергией ≈100 кэВ и выше)
также возникают точечные дефекты. Такие дефекты называют радиационными дефектами [28]. Однако пороговая энергия образования этих дефектов составляет от 6 до 30 эВ, что выше энергии образования тепловых дефектов. Например, энергия образования радиационного дефекта Френкеля в кремнии равна 20.4 эВ при комнатной температуре. Это, по-видимому, обусловлено сложными лавинными процессами генерации дефектов первично выбитыми атомами.
4. Отклонения от стехиометрии. Такие отклонения приводят, как уже говорилось выше, к образованию вакансий в большинстве полупроводниковых соединений. Стехиометрические вакансии, как и тепловые, являются равновесными. Но если концентрация тепловых вакансий зависит от температуры, то концентрация стехиометрических в пределах области гомогенности (однородности) зависит только от состава соединения.
Таким образом, первый и четвертый механизмы образования точечных дефектов приводят к возникновению равновесных дефектов, а второй и третий — неравновесных, возникающих в процессе роста кристалла из-за несовершенства технологии, из-за его пластической деформации, при термообработке или в результате радиационного воздействия.
О концентрации и состоянии точечных дефектов в кристалле можно судить по изменению плотности кристалла или параметров решетки, по проводимости (в случае электрически активных дефектов), по спектрам поглощения света и т. д.
Источник: И. А. Случинская, Основы материаловедения и технологии полупроводников, Москва — 2002
Виды дефектов кристаллической решетки
Линейные несовершенства или дислокации являются линиями, вдоль которых проходят целые ряды атомов в твердом теле. Результирующая неравномерность зазора наиболее заметна вдоль линии, называемой линией дислокации. Линейные дефекты могут ослаблять или укреплять твёрдые тела, поэтому они даже создаются искусственно методом хонингования.
Изучение искажений кристаллической решётки важно для моделирования электрического поведения полупроводников, материалов, используемых в компьютерных микросхемах и других электронных устройствах, а также для оценки их влияния на механические свойства.
Точечные дефекты (нульмерные)
Точечные дефекты в кристаллах представляют собой искажения решётки с нулевой размерностью, т.е. ни в какой размерности они не обладают структурой решётки.
Типичные точечные несовершенства подразделяются на три группы:
примесные атомы в чистом металле;
Вакансии получают путём нагревания в концентрациях, достаточно высоких для количественных исследований. Для получения аналогичных концентраций межузельных атомов точечные искажения можно получить, выполняя внешнюю работу с кристаллом. Такая работа выполняется в атомном масштабе за счет облучения энергоёмкими частицами. Столкновения между посторонними атомами и атомами решётки вызывают смещения последних от мест замещения к местам внедрения. Таким образом, вакансии и междоузлия производятся в равных количествах. Поскольку одна вакансия и одно междоузлие вместе образуют дефект Френкеля, облучение, по сути, является процессом образования такого дефекта. Это невыгодно по сравнению с экспериментальным исследованием межузельных свойств, поскольку радиационно-индуцированные изменения свойств кристаллов всегда включают роль вакансий.
При пластической деформации также образуются вакансии и межузельные частицы. Хотя деформация обходится намного дешевле, чем облучение частицами, метод не стал общепринятой процедурой для создания точечных дефектов, поскольку не позволяет производить контролируемое образование искажений независимо от сложных сетей дислокаций.
Аномально высокие концентрации точечных несовершенств встречаются в некоторых нестехиометрических интерметаллических соединениях. Здесь вакансии и внедрения уже играют роль дополнительных легирующих элементов и имеют в этом смысле термодинамическое значение.
В чистых металлах и в большинстве сплавов вакансии обеспечивают термически активированный перенос атомов и, следовательно, свойства вакансий напрямую влияют на перенос атомов. Свойства вакансии дают информацию о межатомных силах с помощью особых возмущений, которые зависят от вакантного узла решётки.
Линейные (одномерные)
Поверхностные (или одномерные) дефекты могут возникать на границе между двумя зёрнами или небольшими кристаллами внутри кристалла большего размера. Ряды атомов в двух разных зёрнах могут проходить в отличающихся направлениях, что приводит к несоответствию на границе зерна. Внешняя поверхность кристалла фактически также является дефектом, потому что атомы вынуждены корректировать свое положение, чтобы приспособиться к отсутствию соседних атомов вне поверхности.
Поверхностные (двухмерные)
Основная часть исследований в области химии поверхности связана с механизмами реакций на поверхности и идентификацией адсорбированных и реагирующих частиц.
Однако небольшое количество исследователей интересуются влиянием поверхности на возникновение и развитие дефектов. Структура поверхности на атомарном уровне может определять свойства материала.
Известно, что несовершенства структуры кристаллов, являясь активными центрами, контролируют многие механические и химические свойства твёрдых тел. С увеличением общего количества поверхностных дефектов растёт число атомов с различным числом разорванных связей.
Двухмерные искажения подразделяются на три группы:
Возникающие на границах зёрен.
Границы зон двойникования.
Все поверхностные структуры получаются в результате различной ориентации смежных кристаллических решёток.
Объемные (трехмерные)
Междуузельные соединения являются наиболее распространенным представителем объёмных дефектов.
Трёхмерные искажения решётки образуются из-за большого возмущения её размеров. Следствием такого возмущения являются изменения, которые связаны с динамическими и статическими свойствами материалов.
Объёмные несовершенства играют ключевую роль в развитии типичных структур повреждений, которые определяют не только микроструктуру, но и микрохимию сплавов.
5. Классификация дефектов кристаллического строения. Точечные дефекты, зависимость их концентрации от температуры. Краевая и винтовая дислокации
5. Классификация дефектов кристаллического строения. Точечные дефекты, зависимость их концентрации от температуры. Краевая и винтовая дислокации
Монокристалл можно вырастить из жидкого расплава. Монокристалл представляет кусок металла из одного кристалла. Металлы и сплавы, которые получают при обычных условиях, состоят из большого количества кристаллов и имеют поликристаллическое строение. Эти кристаллы называют зернами, и они имеют неправильную форму. Каждое зерно имеет свою ориентировку кристаллической решетки, и она отличается от ориентировки соседних зерен.
Внутреннее кристаллическое строение зерна не является правильным. В кристаллических решетках металлов имеются дефекты (несовершенства), которые нарушают связи между атомами и оказывают влияние на свойства металлов. Все дефекты решетки это нарушения укладки атомов в решетке. Поверхностные несовершенства – границы зерен металла. Различают следующие структурные несовершенства: дефект решетки, точечный, малый, линейный, плоский. Дефекты кристаллов значительно меняют физические, механические, химические, технологические свойства металлов.
К точечным дефектам относятся вакансии (пустые узлы), чужеродные атомы внедрения. Чем выше температура, тем больше дефектов.
Атомы примесей являются одним из самых распространенных несовершенств кристаллической структуры (вакансии, дислоцированные атомы).
Вакансии – это пустой узел кристаллической решетки, который образуется из-за различных причин. Источники вакансий – границы зерен, в которых нарушено правильное расположение атомов. Число вакансий и их концентрация зависят от температуры в обработке. Число вакансий увеличивается с повышением температуры. Одиночные вакансии встречаются при перемещении по кристаллу и объединяются в пары, образуя дивакансии, при этом уменьшается их суммарная поверхность, устойчивость спаренной вакансии возрастает, возможно образование тривакансий и целых цепочек.
Дислоцированные атомы – это атомы, вышедшие из узла кристаллической решетки и занявшие место в междоузлии. Относятся к точечным дефектам.
Примесные атомы занимают в кристаллической решетке место основных атомов или внедряются внутрь ячейки (разновидность точечных дефектов).
Если правильность кристаллического строения вокруг вакансий, дислоцированных атомов и атомов примесей нарушается, то нарушается и уравновешенность силовых полей атомов во всех направлениях. Все изменения составляют не больше нескольких атомных диаметров. Точечные дефекты взаимодействуют друг с другом. Имеет место взаимодействие точечных дефектов и с дефектами линейными – дислокациями.
Линейные дефекты малы в двух измерениях, в третьем они большего размера, который может быть соизмерим с длиной кристалла. К линейным дефектам относятся цепочки вакансий, межузельных атомов и дислокации. Дислокации могут быть достаточно протяженными в одном направлении, и иметь небольшое протяжение в противоположном направлении. От наличия дислокаций напрямую зависят прочность и пластичность металлов.
Линейные несовершенства – дислокации, они являются особым видом несовершенств в кристаллической решетке. Характеристикой дислокационной структуры является плотность дислокаций.
В настоящее время известны различные механизмы образования дислокаций. Дислокации могут возникать при росте зерен, при образовании субзерен. Экспериментально установлено, что границы зерен и блоков имеют большую плотность дислокаций. При кристаллизации из расплава энергетически выгодно, когда зародыш растет с образованием винтовой дислокации на его поверхности. Способствуют образованию дислокаций и сегрегации примесей. В затвердевшем металле дислокации возникают в результате скопления вакансий.
Область несовершенства кристалла вокруг края экстраплоскости называется краевой (линейной) дислокацией. Краевая дислокация представляет быстрозатухающее поле упругих напряжений в кристаллической решетке вокруг края экстраплоскости, которое вызвано тем, что выше этого края параметры решетки несколько сжаты, а ниже соответственно растянуты. В одном измерении протяженность дислокации имеет макроскопический характер (дислокация может обрываться только на границе кристалла – она является границей зоны сдвига). Движение краевой дислокации – консервативное.
Если экстраплоскость находится в верхней части кристалла, то дислокацию называют положительной; если экстраплоскость находится в нижней части кристалла, то ее называют отрицательной.
Винтовые дислокации образуются, если две части кристалла сдвинуты к плоскости скопления вакансий.
Если винтовая дислокация образована вращением по часовой стрелке, то ее называют правой, если вращение против часовой стрелки – левой. Вакансия и межузельные атомы к винтовой дислокации не стекают. Также возможно образование частичных и смешанных дислокаций. Образование дислокаций повышает энергию кристалла.
Дислокации способствуют увеличению внутреннего напряжения в металлах. Применение поляризованного света позволяет выявить поля напряжений, возникающие вокруг дислокаций.
Данный текст является ознакомительным фрагментом.
Продолжение на ЛитРес
Читайте также
Дефекты мебели и способы их устранения
Дефекты мебели и способы их устранения Причины возникновения дефектов мебели можно условно разделить на несколько групп.Основными причинами дефектов, возникающих от нарушения правил эксплуатации мебели, являются: хранение в сыром помещении; повышенная температура и
4.4.2. Методы контроля качества, анализа дефектов и их причин
4.4.2. Методы контроля качества, анализа дефектов и их причин Технический контроль — это проверка соответствия объекта установленным техническим требованиям, составная и неотъемлемая часть производственного процесса. Контролю подвергаются:поступающие на предприятие
3. Пороки строения древесины
3. Пороки строения древесины При переработке древесины часто встречаются пороки строения древесины, связанные с неправильным строением ствола. Различают следующие виды пороков строения древесины:1) косослой, или наклон волокон, представляющий собой отклонение волокон
КЛАССИФИКАЦИЯ И ОСОБЕННОСТИ
КЛАССИФИКАЦИЯ И ОСОБЕННОСТИ Более ста лет назад (илл. 1), в 1887 году в Москве на русском языке вышла книга В.В. Гринера «Ружьё». Есть там упоминание и о ружьях с односпусковым механизмом. В то далёкое время автор уже пишет, что, по его мнению, ружьё будущего будет двуствольным,
КРАЕВЫЕ ДИСЛОКАЦИИ ВОСПЕТЬ ИЛИ ПРОКЛЯСТЬ
47. Контактные методы измерения температуры
47. Контактные методы измерения температуры Для измерения температуры используются следующие методы.1. Контактные методы – предполагают наличие надежного контакта с предметом, у которого снимается температура. При таком контакте пределы измерения измеряемой
48. Бесконтактные методы измерения температуры
48. Бесконтактные методы измерения температуры Бесконтактные методы измерения температуры. Методы также называют пирометрами. Их преимущества перед предыдущими в том, что из-за их мало-инерционности, которая повышает точность измерений, становится возможной
Приложение 2. Оптимальные допустимые нормы температуры, и скорости движения воздуха в рабочей зонепроизводственных помещений
Приложение 2. Оптимальные допустимые нормы температуры, и скорости движения воздуха в рабочей зонепроизводственных помещений Оптимальные и допустимые нормы температуры и скорости движения воздуха в рабочей зоне производственных помещений при относительной влажности
Эталон температуры
Эталон температуры В физике есть несколько разных «температур», высокая метрология знает одну — термодинамическую температуру. Это та самая, которя однозначно связана с энергией через постоянную Больцмана (поэтому физики часто измеряют температуру в единицах энергии
Измерение температуры
Измерение температуры Автор этой книги треть жизни занимался измерением температуры — правда, температуры катодов электронно-вакуумных приборов. И сегодня его сердце начинает биться учащенно в четырех ситуациях: когда он входит в спортзал (запах пота и спортивных
Причины отсутствия эффекта противоскольжения у шипованных шин и возможные причины дефектов
Причины отсутствия эффекта противоскольжения у шипованных шин и возможные причины дефектов Таблица 1 Советы профессионалов : 1. Если на импортной резине обнаружатся остатки краски красного цвета, значит она из – за косметических дефектов была переведена на класс ниже.
25. Зависимость механических и физических свойств от состава в системах различного типа
25. Зависимость механических и физических свойств от состава в системах различного типа Свойство – это количественная или качественная характеристика материала, определяющая его общность или различие с другими материалами.Выделяют три основные группы свойств: