29775

Дефекты в кристаллах. Классификация дефектов. Точечные, линейные и поверхностные дефекты

Контрольная

Химия и фармакология

Линейные дефекты К линейным дефектам кристаллической решётки относятся дислокации. Различают краевые и винтовые дислокации. Линия дислокации в этом случае это граница экстраплоскости. Винтовую дислокацию в кристалле можно определить как сдвиг одной части кристалла относительно другой но в отличие от краевой дислокации линия винтовой дислокации параллельна вектору сдвига.

Русский

2013-08-21

30.5 KB

135 чел.

Дефекты в кристаллах. Классификация дефектов. Точечные, линейные и поверхностные дефекты.

Классификация дефектов

Кристаллов с идеальной правильной структурой в природе не существует. В реальных условиях всегда наблюдаются те или иные отклонения от регулярного расположения частиц в пространстве. Такие отклонения называются дефектами структуры. Принято классифицировать дефекты по размерному признаку.

  1. Точечные дефекты, т.е. такие, размеры которых в трёх измерениях соизмеримы с размерами атомов.
  2. Линейные дефекты – размеры в двух направления соизмеримы с размерами атомов, а в одном с размерами кристалла.
  3. Поверхностные дефекты – размеры в одном направлении соизмеримы с размерами атомов, а в двух с размерами кристалла.
  4. Объёмные дефекты – размеры во всех трёх направлениях соизмеримы с размерами кристалла.

Точечные дефекты.

В элементарном полупроводнике, не содержащем примесей существует 6 видов точечных дефектов без учёта их ассоциаций. Это вакансии, междоузельные атомы, атомы-доноры, вакансии акцептора, электроны и дырки.

В химических соединениях существуют ещё таких называемые антиструктурные изменения, т.е. обмен местами атомов, образующих соединения. Вакансии представляют собой свободный или вакантный узел в структуре кристалла. В ионных кристаллах, т.е. в кристаллах, образованных ионами, различают катионные, со знаком , и анионные, со знаком , вакансии.

В кристаллах существуют также так называемые дефекты Шоттки, которые представляют собой вакансии, образующиеся за счёт испарения атом с поверхности кристалла и затем, благодаря последовательным перемещениям атомов, двигающихся вглубь кристалла.

Междоузельные атомы – это атомы основного вещества, покинувшее свои узлы решётки и расположившиеся в пустотах. Если размеры примесных атомов отличаются от размеров основного атома не более чем на 10-15%, то он может замещать основной атом. Это так называемые примесные атомы замещения. Примесные атомы, располагающиеся в пустотах, называются примесными атомами внедрения.

Точечные дефекты могут возникать под действием каких-то внешних факторов. Энергия образования таких дефектов тратиться на разрыв связи и искажение кристаллической решётки вблизи дефекта. Энергия образования одной вакансии составляет порядка 1 эВ, междоузельного атома – порядка 2-3 эВ.

Кристалл всегда содержит вакансии в междоузельных атомах вследствие тепловых колебаний атомов. В полупроводниковых и ионных кристаллах точечные дефекты приводят к изменению распределения электрических зарядов, и поэтому являются электрически активными центрами.

Точечные дефекты могут также существовать в виде ассоциаций или комплексов.

Вакансии могут образовывать дивакансии, тривакансии, вакансионные тетраэдры. Скопления вакансий называются кластерами, которые могут образовывать поры. Такие дефекты неустойчивы, вероятность их образования тем больше, чем выше энергия связи между точечными дефектами и выше концентрация дефекта. В кристаллах 90% вакансий существует в виде моновакансий и лишь порядка 10% в виде их ассоциаций.

Междоузельные атомы могут образовывать неустойчивые линейные конфигурации. Спаренные вакансии с атомами междоузлия, которые образуются в результате перемещения атома из узла решётки в соседнее междоузлие, называются дефектами Френкеля.

Линейные дефекты

К линейным дефектам кристаллической решётки относятся дислокации. Под дислокациями понимают вид несовершенства кристаллической решётки типа обрыва или сдвига атомных слоёв, нарушающих правильное чередование атомных плоскостей. Различают краевые и винтовые дислокации.

Краевая дислокация представляет собой области искажения решётки вблизи кромки атомной плоскости, которая обрывается внутри кристалла. Это так называемая экстраплоскость. Экстраплоскость возникает в кристаллах, например, при незавершённом сдвиге одной части кристалла относительно другой. Линия дислокации в этом случае – это граница экстраплоскости.

Винтовую дислокацию в кристалле можно определить как сдвиг одной части кристалла относительно другой, но в отличие от краевой дислокации линия винтовой дислокации параллельна вектору сдвига. Можно представить себе, что в кристалле произведён надрез, а затем сдвиг вдоль плоскости разрыва.

Кристалл, содержащий винтовую дислокацию, состоит не из параллельных атомных плоскостей, а как бы из одной плоскости, закрученной как винтовая лестница. Ось этого винта и есть линия винтовой дислокации.

Как правило, в кристаллах дислокации являются смешанными, т.е. имеют краевую и винтовую компоненту. При этом линии дислокации представляются произвольными пространственными петлями, которые или замыкаются сами на себя, или разветвляются на другие дислокационные петли, или выходят на поверхность кристалла.

Вектор Бюргерса

Искажение решётки, вносимое дислокацией, сосредоточены вблизи линии дислокации в узкой области диаметром в несколько межатомных расстояний. Величина и характер обусловлены наличием дислокацией нарушений, а также связанная с этим величина упругой энергии определяется вектором Бюргерса. Его физический вытекает из понятия о так называемом контуре Бюргерса.

Допустим в решётке имеется лишняя полуплоскость. Край этой полуплоскости является осью или линией простейшей краевой дислокацией. Проведём в одной из атомных плоскостей, перпендикулярных оси дислокации замкнутый контур ABCDA. В случае идеальной решётки такой контур окажется незамкнутым, мы придём в точку E. Вектор, который нужно провести, чтобы замкнуть контур, называется вектор Бюргерса дислокации, а контур – контур Бюргерса.

В случае краевой дислокации вектор Бюргерса перпендикулярен оси дислокации и для краевой дислокации вектор Бюргерса – это межплоскостное расстояние до оборванной плоскости.

В случае винтовой дислокации её ось параллельна вектору Бюргерса и направлению сдвига. Для винтовой дислокации вектор Бюргерса – это шаг винта. Вектор Бюргерса смешанной дислокации находится под некоторым углом от  до  линии дислокации. Разрыв контура характеризуют сумму всех упругих смешений решётки, накопившихся в области вокруг дислокации. Таким образом, вектор Бюргерса – это мера искажений, обусловленных присутствием дислокацией. Дислокации окружены полем упругих напряжений. Область над линией краевой дислокации испытывает напряжение-сжатие, а под ней напряжение-растяжение. Вокруг винтовой дислокации существует поле сдвиговых или касательных напряжений. Величина упругой энергии вызываемой дислокацией, пропорциональна вектору Бюргерса .

Взаимодействие и перемещение дислокации

Условно краевые дислокации подразделяют на положительные и отрицательные. Положительная дислокация соответствует случаю, когда лишняя полуплоскость в верхней части кристалла. При этом в верхней половине кристалла действует сжимающее напряжение, а в нижней – растягивающее. Обозначается такая дислокация знаком  – это положительная краевая дислокация. Отрицательная краевая дислокация соответствует противоположному случаю и обозначается знаком .

Эти два типа дислокаций различаются лишь поворотом кристалла на , поэтому понятие знака дислокации приобретает смысл, если рядом есть ещё одна дислокация для их сравнений. Винтовые дислокации делятся на правые и левые по направлению вращения винта.

Дислокации могут взаимодействовать между собой. Одноимённые отталкиваются, а разноимённые притягиваются. Под действие одного и того же внешнего напряжения разноимённые дислокации движутся в разные стороны. Разноимённые дислокации, движущиеся в одной плоскости, при встрече могут взаимно уничтожаться или аннигилировать.

Чем больше ретикулярная плотность плоскости, тем меньше вектор Бюргерса, тем меньше энергия дислокации и легче её перемещение. Этим объясняется тот факт, что дислокации, как правило, возникают и движутся по плоскостям и направлениям наиболее густо заселённые атомами, т.е. с максимальной ретикулярной плотностью. Взаимодействие дислокаций происходит в соответствии с критерием Франка. Реакция слияния или расщепления дислокаций идёт в таком направлении, чтобы сумма квадратов векторов Бюргерса дислокаций, образующихся при реакции была меньше суммы квадратов векторов Бюргерса исходных дислокаций.

Взаимодействие дислокаций с точечными дефектами

Различают два вида взаимодействия: упругое и электрическое.

Упругое взаимодействие обусловлено полями упругих нормальных напряжений вокруг дислокации и примесного атома. Знак напряжения вокруг атома примеси зависит от соотношения атомных радиусов вещества основы и примеси. Атом, создающий растягивающее напряжение, будет стремиться в сжатую область вблизи дислокации. Атом, создающий сжимающее напряжение, – в растянутую область.

Электрическое взаимодействие проявляется главным образом в полупроводниках и ионных кристаллах. Оборванные связи в дислокации действуют как акцепторы. Эти связи захватывают электроны проводимости и создают кулоновское взаимодействие между дислокацией и положительными ионами. Примеси могут образовывать примесные атмосферы вокруг линии дислокации. Это так называемые атмосфера Коттрелла, которые тормозят перемещения и размножения дислокаций.

Степень закреплённости дислокации зависит от температуры их образования. Дислокации, возникающие при высоких температурах, когда атомы примеси достаточно подвижны, оказываются максимально закреплёнными атмосферами. Поэтому ростовые дислокации, образующиеся при выращивании кристалла, значительно менее подвижны, чем дислокации, возникающие при более низких температурах.

Зарождение дислокации

Образование движения дислокации происходит в результате релаксации упругих макронапряжений. Даже в относительно совершенных кристаллах зарождение дислокаций происходит на каких-то концентраторах напряжения. Источники таких макронапряжений могут быть различные поверхностные и объёмные неоднородности. В приборных структурах основной вклад дает напряжение, возникающее на границе соседних слоёв из-за разности коэффициентов термического линейного расширения. Образование дислокации может быть вызвано процессами пластической деформации и хрупкого разрушения при операции резки, шлифовки, полировки пластин, скрайбированием (одна из последних операций при производстве интегральных схем, это операция резки пластины на отдельные чипы). Важную роль играет наследование дислокаций монокристалла из затравки. А в случае эпитаксиальных слоёв из подложки.

Чаще всего размножение дислокаций происходит по механизму Франка-Рида. Источник Франка-Рида образуется в результате действия приложенных напряжений на дислокации, закреплённые в двух точках. Закрепление может происходить атмосферами Коттрелла. В результате закрепление препятствует перемещению дислокационной линии как целого, поэтому закреплённый участок начинает выгибаться под действием напряжения и генерировать новые дислокации.

Наблюдение дислокаций

Дефекты структуры изменяют свойства полупроводниковых материалов и приборных структур. Влияние дислокаций связано с тем, что они вносят в запрещённую зону материала разрешённые уровни. Поэтому они должны быть охарактеризованы с возможно большей точностью. Методы визуализации дислокации полупроводника могут быть классифицированы следующим образом:

  1.  Наблюдение дислокации в объёме кристалла с помощью инфракрасной спектроскопии, рентгеновской спектроскопии, электронно-микроскопически на просвет, с помощью сканирующей электронной микроскопии.
  2.  Выявление мест выхода дислокации на поверхность кристалла с помощью избирательного травления и наблюдения в оптический микроскоп.

Последний метод является наиболее простым и распространённым. Он заключается в травлении поверхности кристалла подобранным реактивом. Места выхода дислокации на поверхность имеет увеличенную химическую активность и в них травление кристалла происходит с большей скоростью. Такое травление называется избирательным или селективным и приводит к образованию так называемых фигур травления, которые и позволяют выявить присутствие дислокаций границ субзёрен. Фигуры или ямки травления ограняются наиболее плотноупакованными плоскостями и имеют, поэтому строго определённую форму. Поверхностная плотность ямок травления подсчитывается в оптический микроскоп и является мерой структурного совершенства кристалла. В приборных структурах она не должна превышать , если больше – это уже некачественный материал.

Поверхностные дефекты

К поверхностным несовершенствам относятся различного рода границы раздела, которые делятся на две группы: межфазные и внутрифазные. Межфазные границы разделяют области, находящиеся в разном фазовом состоянии. Области внутрифазные в области контакта различно ориентированы у кристаллических решёток одной и той же фазы.

Если углы разориентации относительно не велики: менее , то границы называются малоугловыми или субграницами, а разделяемые ими области – субзёрнами. Малоугловые границы формируются так называемыми стенками дислокации.

При этом одноимённые дислокации располагаются друг под другом, поскольку такое расположение системы дислокаций в параллельных плоскостях скольжения наиболее энергетически выгодно и устойчиво. Под микроскопом субграница выглядит как цепочка ямок травления, равноотстоящих друг от друга. Чем меньше угол разориентации, тем меньше плотность дислокаций на границе и меньше плотность ямок травления. Если углы разориентации велики и превышают , то граница называется большеугловыми, а разделяемые ими область материала – кристаллитами или зёрнами.  Материал, содержащий такие границы, является уже поликристаллическим.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

58694. Чергування голосних звуків о е і в коренях слів 56.5 KB
  Мета: вчити учнів правильно писати о е і в корені слова; формувати орфографічну навичку письма вміння визначати корінь в слові; розвивати навичку чіткого мовлення уваги мислення; сприяти виховуванню почуття поваги до старших.
58695. Леся Українки “Бояриня” 39.5 KB
  Мета. Ознайомити учнів зі змістом твору, дослідити, як крізь призму особистого життя героїв розкрито трагедію рідного краю; розвивати творче мислення учнів, уміння аналізувати прочитане; виховувати любов до України, до її історичного минулого.
58696. Схоже і відмінне в кольорах. Порівняння предметів за кольором. Кольори. Вживання закінчень прикметників -й, -а, -е, -і 99 KB
  Мета: Продовжити засвоєння українських назв кольорів; збагачувати й активізувати словниковий запас учнів; удосконалювати орфоепічні вміння; формувати вміння вживати закінчення прикметників (-й, -а, -є, -і); порівнювати предмети за кольором; розвивати мовленнєві навички; виховувати любов до природи.
58697. Іменник. Загальне значення і граматичні ознаки іменника 8.41 MB
  Мета: розширювати і поглиблювати знання учнів про іменник як частину мови; познайомити з іменниками назвами істот та неістот їх характерними ознаками; з іменниками на позначення власних і загальних назв навчити розрізняти їх учити писати в великої літери власні іменники...
58700. Звязок іменників з прикметниками 444.5 KB
  Мета: розширити знання дітей про граматичний і смисловий зв’язок прикметників з іменниками; закріпити прийоми розпізнавання числа, роду, відмінка прикметників. Розвивати вміння будувати зв’язні розповіді га задану тему.
58701. Школьные правила 39 KB
  Цели Оборудование: проигрыватель, грамзапись с ритмической зарядкой; аудиозаписи: голоса птиц, школьных песен, “Урок поведения”, “Песня первоклашки”, Шадоус “Девушка в красном”; иллюстрация – “Зайчик”; игрушки – ёж, лесной медвежонок, зайчонок...
58702. Предмети, що мене оточують 20.96 KB
  Мета: ознайомити учнів з вживанням присвійного відмінка іменників; тренувати у вживанні структури thisis; повторити ЛО з теми «Шкільне приладдя»; розвивати в учнів фонематичний слух, мислення, память, увагу, комунікативні навички