Здравствуйте, уважаемые обучающиеся. На прошлых лекциях мы с вами говорили о том, что кристалл характеризуется периодичностью атомов, однако, на самом деле природа устроена сложнее и то о чем мы с вами говорили не совсем точно выполняется и вот об этом мы и будем говорить на этой лекции.
И так давайте представим себе идеальный кристалл, идеальный в том смысле, что все атомы располагаются в узлах кристаллической решетки и как положено колеблются вокруг положения своего равновесия, но такое на самом деле не происходит. Почему? Потому что колебания - это процесс случайный. Это не просто такие колебания, как колебания маятников в часах. Это колебания, которые имеют размах, то больше, то меньше и предсказать амплитуду, т.е размах этих колебаний мы не можем. И может так случится, что под действием соседних атомов. Данный атом получит настолько сильный толчок, что его кинетическая энергия станет больше, чем глубина той потенциальной ямы в которой он находится и в результате атом выскочит из своей потенциальной ямы... вокруг выскочившего атома все занято другими атомами. Куда ему деваться? Вскочив из своей потенциальной ямы он располагается в неправильном месте, нарушая своим присутствием общий строй атомов. Т.е периодичность кристаллической решетки. Так формируется дефект. Что же такое дефект? Дефект - это любое нарушение периодичности кристаллической решетки. Давайте сформулируем строгое определение.
Дефект в кристалле - это любое нарушение периодичности кристаллической решетки.
И между прочим в современной физике даже тепловые колебания атомов в кристалле считаются дефектами. Какие же бывают дефекты? Давайте проведем классификацию дефектов.
И так только что мы описали ситуацию, когда рождается дефект, когда в кристалл не вносятся никакие посторонние атомы. Такие дефекты называются собственными дефектами.
Но бывают так же дефекты связанные с тем, что вместо одного атома в кристаллическую решетку встраиваются другие атомы. И такие дефекты называются примесными. И так есть собственные и есть примесные дефекты.
Причем, примесные дефекты бывают двух сортов...
В некоторых случаях атом примеси занимает место, который раньше был занят, так сказать "по закону" атомом матрицы. Т.е если, например, речь идет о кристалле кремния. Мы на этой лекции много будем говорить о кремнии...На месте, например атома кремния находится атом фосфора и такая примесь называется примесью замещения. Атом одного сорта замещает атом другого сорта. А бывают ситуации, когда атом примеси располагается между атомами матрицы и такая примесь называется примесью внедрения.
И так еще раз повторим примесные дефекты делятся на:
- примеси замещения
- примеси внедрения
Теперь давайте вернемся к собственным дефектам... мы только что говорили, что атом может выскочить из своей потенциальной ямы, т.е из своего привычного положения равновесия в узле кристаллической решетки. Значит, там в этом узле теперь свободное место не занятое атомом. Такое место тоже является дефектом - нарушением периодичности решетки и называется вакансией. Но, ведь атом ушел со своего места и где-то этот атом расположился... он расположился между узлами кристаллической решетки или как говорят в кристаллофизике в междоузлие.
Стоит отметить, что кристаллофизика является специальной дисциплиной, которая является частью более широкой и фундаментальной науки о кристаллах, как кристаллография. У студентов технических специальностей кристаллография может изучаться, как отдельная наука, так и как, например, часть материаловедения, где изучается реальное строение, например, металлов. В специальности ТХОМ эта наука изучается в рамках такой дисциплины, как Материаловедение. Часть 1. Кристаллография. И этой отдельной важной дисциплине у нас так же будет в дальнейшем посвящен подробный курс.
...и так мы отступили...вернемся...значит, еще одним важным собственным дефектом является дефект атом в междоузлии. И еще отдельно поговорим о собственных дефектах, которые играют очень важную роль в механических свойствах, которые называются дислокациями.
и давайте еще раз повторим. И так собственные дефекты делятся на:
- вакансии
- атом в междоузлии
- дислокации
Все что мы написали теперь давайте проиллюстрируем...
А сейчас мы познакомимся с абсолютно другим видом дефектов, таких как линейные дефекты. Таким дефектом является дислокация. Дислокация не является точечным дефектом. Давайте разберемся, что это такое. Как она образуется и на что она влияет.
Давайте запишем важное определение краевой дислокации.
Краевая дислокация - атомная плоскость край, которой проходит в объеме кристалла.
Пластическая деформация - является результатом движения дислокации в объеме кристалла под действием внешней силы.
И так стало быть пластичные материалы - это такие материалы, в которых легко рождаются и двигаются дислокации.
Твердые материалы - это, наоборот, материалы в которых, эти дислокации рождаются с трудом или им что-то мешает перемещаться. И давайте посмотрим еще на перемещение дислокации на примере некой аналогии...
И так аналогия с ковровой дорожкой у нас была только присказка...
Таким образом, мы увидели как точеные дефекты влияют на движение дислокаций и таким образом мы можем упрощенно ответить на вопрос, почему чистое железо без примесей относительно мягкое, а сталь твердая. Давайте вспомним, чем отличается чистое железо от стали? Сталь содержит в себе примеси углерода. Еще раз повторим, что сталь отличается от чистого железа наличием примесей углерода. Примеси углерода порождают точечные дефекты в кристаллической структуре материала и поэтому сталь твердая, а железо мягкое и его можно резать ножом. Более того давайте приведем очень упрощенный пример...представим себе, что мы нагрели кристалл. Ну, например, сталь или железо при этом количество вакансий в материале увеличиваются. Атомы при этом выскакивают из своих положений равновесия. И если теперь его медленно охлаждать, то эти атомы займут свои места в вакансиях и вакансии исчезнут. Но, если быстро охладить кристалл, то оказывается, что эти атомы вышли образовав вакансии и остались в междуузлиях и при этом они не смогут вернуться на свои места. Значит, нагрев металла с быстрым охлаждением приводит к тому, что количество дефектов в кристалле увеличивается и это приводит к тому, что он становится более твердым и в этом идея закалки материалов. Но, на самом деле там все немного сложнее, в сталях оказывается есть несколько видов кристаллических решеток. Т.е сталь обладает полиморфизмом и это тоже существенно отражается на механических свойствах, но пока не будет усложнять...всему свое время и подробно мы это уже будем разбирать в курсе материаловедения, в части кристаллографии. И так точечные дефекты - это один из способов затруднения движения дислокаций.
Еще один способ затруднить движение дислокаций - это сделать так чтобы этих дислокаций стало очень много. А как это можно сделать? Надо взять материал и сильно его пластически деформировать. Т.е взять молоток и побить по этому материалу. В результате количество дислокаций в нем увеличится, при этом они останутся в объеме кристалла и их станет на столько много, что они начнут мешать друг другу двигаться. Поэтому кованные детали значительно прочнее литых деталей. Результаты проката дают гораздо более прочные детали, чем тоже самое литье. Так, что, например, такая важная деталь, как рельс получается именно прокатом, а не литьем для того, чтобы они были прочными. И различные изделия, например, топоры куют не просто потому что так проще, а потому что при ковке образуются так называемый "наклеп". Верхний слой материала при этом содержит большое количество дефектов, которые затрудняют движение дислокаций и поэтому материал становится твердым. Ну и наконец, что последнее можно сказать на эту тему...а что если мы наделали дефектов так много, что полностью разрушили кристаллическую структуру? Тогда материал стал каким? Материал стал аморфным. Аморфный материал - это предельно дефектное состояние кристаллического материала. Если материал аморфный, то в нем уже не могут рождать и двигаться никакие дислокации, поэтому аморфные материалы обладают фантастической прочностью.
Есть целые институты, которые занимаются аморфными материалами. Обычная медь - это, например, кристаллическая медь, т.е это поликристаллы. Но если взять медную каплю - каплю расплавленной меди и поместить между двумя алмазными пластинами (у алмаза очень хорошая теплопроводность) быстро сжать, то медь настолько быстро разойдется, очень быстро при этом остынет и образуется пленка аморфного материала у него интереснейшие свойства и эта одна из таких передовых отраслей в развитии материаловедения.
Ну и наконец несколько слов о том как выращивают кристаллы.
В науки и технике присутствуют два основных вида выращивания кристаллов:
- из раствора
- из расплава
И так давайте разберем первую технологию из выращивание кристаллов раствора.
Теперь давайте перейдем к выращиванию кристаллов из расплава методом Чохральского.
И давайте рассмотрим еще один способ выращивания кристаллов методом газовой эпитаксии.
И последнее... мы уже говорили о том, что раствор в котором выращивают кристаллы методом выращивания кристаллов для выращивания кристаллов для полупроводниковой техники - это совершенно грязные технологии. В этой технологии счет идет на миллион атомов одного атома примесей - и это уже грязный способ выращивания кремния. А идея получения более чистого кремния состоит в том, что при формировании кристаллической решетки примеси из кристаллической решетки выталкиваются в раствор. Если мы возьмем соленую воду и заморозим ее в холодильнике, то лед, который при этом получится будет пресным, а соль при этом выйдет на поверхность. Вот эта идея позволяет получать методом Чохральского кремний полупроводниковой частоты. Его еще потом можно с помощью переплавок очистить, но идея, которая используется для получения сверхчистых материалов - это выталкивание всех примесей из кристаллической решетки в расплав.
На этом мы эту лекцию закончим.
Если тебе понравилось, подпишись на канал и поддержи автора