Электронный научный журнал
European Student Scientific Journal
ISSN 2310-3094

О РАЗНОВИДНОСТЯХ ДЕФЕКТОВ В КРИСТАЛЛАХ И МЕТОДИКЕ ИХ ИЗУЧЕНИЯ

Хайрулина Л.А. 1 Гизитдинова З.Д. 2
1 Башкирский государственный университет
2 Институт геологии УФИЦ РАН
Применение рентгеновских методов изучения кристаллических веществ позволили выявить явления несовершенства кристаллических тел. Эти несовершенства были названы дефектами. Травление как избирательное растворение поверхности кристаллов с целью выявления симметрии, а иногда и химического состава этой поверхности впервые было использовано в 1816 г. Впоследствии, этот метод стал широко использоваться физиками и минералогами как инструмент, позволявший решать спорные вопросы в симметрии кристаллов. После открытия рентгеновских лучей он отступил на задний план до тех пор, пока в середине прошлого века не была показана связь распределения ямок травления по поверхности с дефектностью структуры кристаллов. На сегодняшний день, дефекты в кристаллических телах принято подразделять на 4 класса. В первом классе рассматриваются электронные дефекты, связанные с взаимодействием фотонов. Такие дефекты наиболее распространены и наблюдаются в виде временных изменений состояния ионизации. Ко второму классу относят дефекты структуры, возникающие в соответствии с законами термодинамики (стремление системы уменьшить свободную энергию) и встречающиеся во всех кристаллах. Следующий класс дефектов связан с примесными ионами. Последний класс дефектов отличается от остальных тем, что имеет размерность и связан с дислокациями, возникающими в результате роста кристаллических тел. В статье рассматриваются методика изучения дефектов кристаллических тел путем травления. Приводится классификация дефектов в кристаллических телах. Причины их возникновения, распространенность и взаимосвязь с физико-химическими свойствами кристаллов.
кристаллы
минералы
дефекты
морфологическая кристаллография
порядок-беспорядок
пластические деформации в минералах
1. Амелинкс С. Методы прямого наблюдения дислокации, М.: Мир, 1968, с. 26-36
2. Ван-Бюрен Х. Дефекты в кристаллах. М., Издательство иностранной литературы. 1962. 584 с.
3. Гюйгенс Х. Трактат о свете, в котором объяснены причины того, что с ним происходит при отражении и преломлении, в частности при странном преломлении исландского кристалла/ М.-Л.: ОНТИ, 1935.
4. Демаков Ю.П. Лекции по физическим основам электроники/ Ижевск: ИжГТУ, 2008. 150 с.
5. Сангвал К. Травление кристаллов, М.: Мир, 1990, 500 с.
6. Хайрулина Л.А. Дефекты в кристаллах. Геосфера: сборник научных статей студентов, магистрантов и аспирантов географического факультета. Вып. 11 / отв. ред. А.М. Фархутдинов – Санкт-Петербург: Свое издательство, 2018. С. 88-89.
7. Хейман Р.Б. Растворение кристаллов, Л.: Недра, 1979, 272 с.
8. Штремель М. А. Прочность сплавов. Ч. I. Дефекты решетки. М., 1982.
9. Robert Hooke. Micrographia: or, Some physiological descriptions of minute bodies made by magnifying glasses. London: J. Martyn and J. Allestry, 1665.

Современные представления о природе кристаллов были заложены еще в 17 веке трудами Х. Гюйгенса (1629–1695) и Р. Гука (1635–1703). Их выводы подтвердились экспериментальными исследованиями Лауэ, основанных на дифракции рентгеновских лучей. В то же время, применение рентгеновских методов изучения кристаллических веществ позволили выявить явления несовершенства кристаллических тел. Несовершенства кристаллических тел были названы дефектами, информация об их причинах, степени распространенности и влиянии на физико-химические свойства постепенно накапливалась в работах многих ученых [3, 5, 9].

Для выявления дислокационной природы кристаллов в настоящее время известен способ деформирования кристалла путем приложения к нему внешних механических напряжений и обработку в химическом травителе, избирательно действующем на дефекты [1]. Этот способ позволяет изучить кинетические закономерности возникновения, размножения и движения дислокаций. Впервые избирательное травление поверхности кристаллов с целью выявления симметрии, а иногда и химического состава этой поверхности, предположительно, было использовано Даниэлем в 1816 г [6]. Впоследствии, этот метод стал широко использоваться физиками и минералогами как инструмент, позволявший решать спорные вопросы в симметрии кристаллов. После открытия рентгеновских лучей он отступил на задний план до тех пор, пока в середине прошлого века не была показана связь распределения ямок травления по поверхности с дефектностью структуры кристаллов.

С 1953 г. травление стало методом изучения совершенства структуры. В основе такого подхода лежит связь между ямками травления и выходами на эту поверхность дефектов – винтовых и краевых дислокаций, точечных дефектов, границ зерен в моно- и поликристаллах. Поскольку в области дефектов ионы, атомы или молекулы обладают повышенной химической активность, то в этих местах в первую очередь и начинается растворение на поверхности кристалла [7].

Недостатком травления является то, что при пластической деформации кристаллов до и во время травления искажается исходная картина распределения дефектов, которую требуется выявить и проанализировать. Данный способ имеет низкую чувствительность к дефектам недислокационного типа, наиболее характерным для кремниевых монокристаллов и в структурах, используемых в современной микроэлектронике [1]. Наиболее близким к предлагаемому является способ выявления структурных дефектов в кремнии, включающий высокотемпературный (до 1100-1200 К) отжиг кристаллов перед травлением, охлаждение и обработку в избирательном химическом травителе [2]. Высокотемпературный отжиг перед травлением повышает чувствительность способа выявления дефектов (дислокаций) за счет освобождения их от примесных атмосфер.

Важно отметить, что иные способы выявления дефектов в кристаллах, такие как отжиг при высоких температурах также обладают некоторыми недостатками. Вместе с растворением примесных атмосфер может происходить и распад или трансформация самих выявленных дефектов, менее стабильных, чем дислокации, например, мелких ростовых кластеров. Поэтому способ отжиг также оказывается малочувствительным ко всему спектру структурных дефектов недислокационного типа.

С помощью подходящих травителей можно выявить дислокационную структуру в кристаллах, определить положение двойниковых границ, определить реальную симметрию кристаллов, которую можно выявить по фигурам растворения (травления). C помощью травления можно повысить прочность материалов, растворяя нарушенные слои поверхности. Так же травление широко используется при обработке искусственных стекол для матирования и придания им необходимой формы, создания на их поверхности орнаментов. Таким образом, области применения травления обширны и разнообразны. Именно поэтому разработка методов и изучение материалов для химического травления поверхностей занимают немаловажное место в такой области знаний как материаловедение.

На сегодняшний день, дефекты в кристаллических телах принято подразделять на 4 класса. В первом классе рассматриваются электронные дефекты, связанные с взаимодействием фотонов. Такие дефекты наиболее распространены и наблюдаются в виде временных изменений состояния ионизации. Ко второму классу относят дефекты структуры, возникающие в соответствии с законами термодинамики (стремление системы уменьшить свободную энергию) и встречающиеся во всех кристаллах. Механизм возникновения дефектов связан с изменением температуры кристаллизации, при котором происходит изменение позиции ионов, сопровождающиеся повышением свободной энергии решетки. Такой тип точечных дефектов характерен для минералов класса галоиды (дефект Шттоки), а в галоидах Аg и оксиде Zn распространен дефект Френкеля. Количество точечных дефектов такого типа сильно возрастает с увеличением примесей (рис. 1) [8].

Рис. 1. Разновидности точечных дефектов по Шттоки и Френкелю

 

Следующий класс дефектов связан с примесными ионами. В кристаллических телах такого типа возникают электронная или дырочная примесная проводимость в результате электронного взаимодействия ионов с разной валентностью. Результатом данного взаимодействия становится – возникновение избытка или недостатка электронного заряда в окрестностях примесного иона. В качестве примера рассмотрим ситуацию с участием иона Si. Взаимодействие Si с трехвалентным ионом B приведет к недостатку электрона (положительной дырки), а взаимодействие с пятивалентным As (элемент донор) привнесет в структуру кристалла свободный электрон (рис. 2 и 3).

Рис. 2. Механизм создания дополнительных энергетических уровней ионом донором (As) [5]

Рис. 3. Механизм появления дырочной структуры в кристалле [5]

Последний класс дефектов отличается от остальных тем, что имеет размерность и связан с дислокациями, возникающими в результате роста кристаллических тел. Среди них выделяют дислокации: расщепления, связывания, дислокации, наблюдаемые на границах зерен и мозаичных блоков. Данный тип несовершенств в кристаллических телах можно описать вектором Бюргерса, указывающим на природу и величину структурного дефекта (рис. 4). Данный вектор описывает расстояние, необходимое для замыкания кривой вокруг линии дислокации в кристалле. Воздействие направленного давления на кристаллические тела увеличивает число дислокаций данного типа [9].

В кристаллах алмаза, претерпевших после своего образования пластическую деформацию, появляются дислокационные и другие дефекты, приуроченные к плоскостям скольжения. Эти дефекты ответственны за эпигенетическое окрашивание алмазов в розовато-лиловый и дымчатый тона.

В 1963-1966 гг. были описаны крестообразные зоны в центральных частях алмазов, в пределах которых находится большое количество включений микроскопического размера. Исходя из взаимоотношения включений с дислокациями роста, ученые пришли к выводу, что они выделились уже в твердой фазе, то есть являются эпигенегическими включениями – преципитатами (рис. 5).

Рис. 4. Контур Бюргерса вокруг винтовой дислокации (а) и эквивалентный контур в совершенном кристалле (б)

 

Из данного примера видно, что эпигенетические явления создают определенные дефекты в кристаллах алмаза и в некоторых случаях влияют на изменение их первичного внутреннего строения и свойств.

 

Рис. 5. Эпигенетические субмикроскопические включения (преципитаты), образовавшиеся в центре кристалла в результате фазового распада [2].

а – вид шлифа под микроскопом, б – рентгенодифракционная топограмма шлифа

 

Физико-химические свойства кристаллических тел тесно связаны с дефектами кристаллов. Присутствие тех или иных химических элементов в качестве примесей, их валентность и прочие атомные характеристики существенно способствуют формированию дефектов в кристаллах. Также на образование структурных несовершенств оказывает влияние температура и давление. В некоторых случаях дефекты в материалах генерируются специально, поскольку разно ориентированные в пространстве многочисленные дислокации препятствуют разрушению кристалла по сетке дислокаций. В результате повышается прочность металла, однако это приводит к снижению пластичности.

С ростом термобарических характеристик количество дефектов в кристаллических телах также увеличивается [8]. В последнее время рост потребности в кристаллах с повышенным структурным совершенством для промышленных целей способствовал модификации и разработке множества методов выявления дефектов в кристаллах. Среди существующих методов микроскопического исследования поверхности кристаллов наиболее широко применяется избирательное травление поверхности благодаря надежности, быстроте и простоте.


Библиографическая ссылка

Хайрулина Л.А., Гизитдинова З.Д. О РАЗНОВИДНОСТЯХ ДЕФЕКТОВ В КРИСТАЛЛАХ И МЕТОДИКЕ ИХ ИЗУЧЕНИЯ // European Student Scientific Journal. – 2019. – № 4. ;
URL: https://sjes.esrae.ru/ru/article/view?id=476 (дата обращения: 24.04.2024).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1,674