Дефекты кристаллического строения

   Дефекты кристаллического строения:  вакансии  и дислокации.  Влияние на

   превращения и свойства.

   Эффект  вакансия – точечный дефект, вызывает искажение. Диффузия  ускоряется.

   Дислокация  – линейный дефект (много вакансий в  ряд):  эффект  имеет  длину,

   определяет  высокую пластичность материала. 

   6. Дефекты  кристаллического строения. Кристалл  зерно.

   Дефекты: точечные, линейные, поверхностные, объёмные.  Точечные:  внедрение,

   вакансия,  вызывают  искажения.  Линейные:  дислокации,  определяют  высокую

   пластичность  материала, эффект имеет длину.  Поверхностные:  границы зёрен,

   резко повышают пластичность и снижают  прочность материала. Объёмные –  порог

   в металле, дефекты имеют объём. Зерно –  кристалл неправильной формы. 
 
 

   Хрупкость мартенсита связана с образованием атмосфер из атомов углерода на дефектах строения.

   Охлаждение  при закалке должно обеспечить получение  структуры мартенсита в пределах заданного сечения изделия и  не должно вызывать закалочных дефектов: трещин, деформаций, коробления и высоких  растягивающих остаточных напряжений в поверхностных слоях.

   Высокая скорость охлаждения в области температур мартенситного превращения нередко  приводит к образованию закалочных дефектов; с повышением температуры  воды резко ухудшается ее закалочная способность.

   Масло как закалочная среда имеет следующие преимущества: небольшую скорость охлаждения в мартенситном интервале температур, что уменьшает возникновение закалочных дефектов, и постоянство закаливающей способности.

   Дефекты, возникающие при термической  обработке стали

   К основным дефектам, которые могут возникнуть при закалке стали, относятся.

   Трещины - неустранимый дефект.

   Повышенная  хрупкость - дефект закалки от слишком  высоких температур (более высоких  чем требуется), при которых произошел  значительный рост зерен аустенита.

   Дефект  обнаруживается механическими испытаниями по излому.

   Дефекты кристаллического строения подразделяются по геометрическим признакам на поверхностные, точечные и линейные.

   Поверхностные дефекты представляют собой поверхности  раздела между отдельными зернами  или субзернами в поликристаллическом металле; к ним относятся также дефекты упаковки.

   Источники поверхностных дефектов: а - границы  зерен поликристаллического строения металлов; б - участки разориентированной структуры зерна - блоки мозаики

   В кристаллических  решетках реальных металлов существуют дефекты, которые нарушают связи между атомами и оказывают влияние на свойства металлов.

   К ним  относятся точечные и линейные дефекты.

   Точечные  дефекты малы в трех измерениях и  размерами приближаются к точке.

   Виды  этих дефектов приведены на рис.

   Одним из распространенных дефектов является вакансия, т.

   место не занятое атомом (дефект Шотгки).

   Виды  точечных дефектов: а - вакансия; б - замещенный атом; в - внедренный атом

   Другими точечными дефектами являются дислоцированные  атомы (дефект Френкеля), т.

   Концентрация  таких дефектов невелика, т.

   Вокруг  точечных дефектов нарушается правильность кристаллического строения, силовое  поле атомов во всех направлениях.

   Линейные  дефекты малы в.

   К линейным дефектам относятся цепочки вакансий, межузельных атомов и дислокации.

   Ее  край 1-1 создает линейный дефект решетки, который называется краевой дислокацией.

   Дислокации  наряду с другими дефектами участвуют  в фазовых превращениях, рекристаллизации, служат готовыми центрами при выпадении  второй фазы из твердого раствора.

   Вдоль дислокаций скорость диффузии на несколько  порядков выше, чем через кристаллическую  решетку без дефектов.

   Все перечисленные  дефекты кристаллического строения приводят к появлению внутренних напряжений.

   Внутренние  напряжения III рода - возникают внутри объема порядка нескольких элементарных ячеек; главным источником являются точечные дефекты.

   Аморфный  металл обладает рядом уникальных свойств  из-за отсутствия границ зерен и  дефектов кристаллического строения (например, дислокаций).

   Поверхностные дефекты кристаллического строения.

   Дефекты, возникающие при термической  обработке стали.

   При определенном количестве дефектов металл имеет минимальную  прочность (точка 1).

   С уменьшением  количества дефектов прочность возрастает.

   С увеличением  количества дефектов (правее точки 1) прочность металлов возрастает Возникающие в различных плоскостях инаправленияхдис-локации будут мешать друг другу перемещаться, что потребует приложения больших напряжений.

   В области  возврата (при нагреве до 0,3 Тт) происходит повышение структурного совершенства металла в результате уменьшения плотности дефектов строения.

   При низких температурах (ниже 0,2 Т1Ш) протекает  первая стадия возврата - отдых, когда  происходит уменьшение точечных дефектов (вакансий) и перераспределение дислокаций без образования субграниц.

   Он  является неисправным дефектом стали. 

   1.3. Какую  роль играют несовершенства структуры  кристаллов. Какую роль 
играют дислокации в вопросах прочности и пластичности материала. 
Встречающиеся в природе кристаллы, как монокристаллы, так и зерна в 
поликристаллах, никогда не обладают строгой периодичностью в расположении 
атомов т. е. не являются «идеальными» кристаллами. В действительности 
«реальные» кристаллы содержат те или иные несовершенства (дефекты) 
кристаллического строения. 
Дефекты в кристаллах принято классифицировать по характеру их измерения 
в пространстве на точечные (нульмерные), линейные (одномерные), 
поверхностные (двухмерные), объемные (трехмерные). 
Точечными дефектами называются такие нарушения периодичности 
кристаллической решетки, размеры которых во всех измерениях сопоставимы с 
размерами атома. К точечным дефектам относят вакансии (узлы в 
кристаллической решетке, свободные от атомов), межузельные атомы (атомы, 
находящиеся вне узлов кристаллической решетки), а также примесные атомы, 
которые могут или замещать атомы основного металла (примеси замещения), или 
внедряться в наиболее свободные места решетки (поры или междоузлия) 
аналогично межузельным атомам (примеси, внедрения) 
Линейные дефекты в кристаллах характеризуются тем, что их поперечные 
размеры не превышают нескольких межатомных расстояний, а длина может 
достигать размера кристалла. К линейным дефектам относятся дислокации — 
линии, вдоль и вблизи которых нарушено правильное периодическое 
расположение атомных плоскостей кристалла. Различают краевую и винтовую 
дислокации. Краевая дислокация представляет собой границу неполной атомной 
плоскости (экстраплоскости). Винтовую дислокацию можно определить как сдвиг 
одной части кристалла относительно другой. 
В кристаллах встречаются и так называемые смешанные дислокации. 
Дислокации не могут обрываться внутри кристалла — они должны быть либо 
замкнутыми, либо выходить на поверхность кристалла. Плотность дислокации, 
т. е. число линий дислокации, пересекающих внутри металла площадку в 1 см2, 
составляет 103—104 в наиболее совершенных монокристаллах до 1012 в сильно 
деформированных металлах Дислокации создают в кристалле вокруг себя поля 
упругих напряжений, убывающих обратно пропорционально расстоянию от них. 
Наличие упругих напряжений вокруг дислокации приводит к их взаимодействию, 
которое зависит от типа дислокации и их векторов Бюргерса. Под действием 
внешних напряжений дислокации двигаются (скользят), что определяет 
дислокационный механизм пластической деформации. Перемещение дислокации в 
плоскости скольжения сопровождается разрывом и образованием вновь 
межатомных связей только у линии дислокации, поэтому пластическая 
деформация может протекать при малых внешних напряжениях, гораздо меньших 
тех, которые необходимы для пластической деформации идеального кристалла 
путем разрыва всех межатомных связей в плоскости скольжения. Обычно 
дислокации возникают при образовании кристалла из расgлава. Основным 
механизмом размножения дислокации при пластической деформации являются так 
называемые источники Франка-Рида. Это отрезки дислокации, закрепленные на 
концах, которые под действием напряжений могут прогибатся ,испуская при 
этом дислокации,и вновь востанавливатся. 
Обычно упрочненное состояние достигается при взаимодействии дислокации 
друг с другом, с атомами примесей и частицами другой фазы. Дислокации 
влияют не только на прочностные и пластические свойства металлов, но также 
и на их физические свойства (увеличивают электросопротивление, скорость 
диффузии и т.д.). 
Процесс сдвига в кристалле будет происходить тем легче, чем больше 
дислокации будет в металле. В металле, в котором нет дислокации, сдвиг 
возможен только за счет одновременного смещения всей части кристалла. В 
случае, если под действием напряжений дислокации не зарождаются, то 
прочность бездислокационного металла должна быть равна теоретической. 
Существует и другой способ упрочнения металлов. Оказывается, что 
реальная прочность металлов падает с увеличением числа дислокации только 
вначале. Достигнув минимального значения при некоторой плотности 
дислокации, реальная прочность вновь начинает возрастать. Повышение 
реальной прочности с возрастанием плотности дислокации объясняется тем, что 
при этом возникают не только параллельные друг другу дислокации, но и 
дислокации в разных плоскостях и направлениях. Такие дислокации будут 
мешать друг другу перемещаться, и реальная 
прочность металла повысится. 
Давно известны способы упрочнения, ведущие к увеличению полезной 
плотности дислокации; это — механический наклеп, измельчение зерна и блоков 
мозаики, термическая обработка и т. д. Кроме того, известные методы 
легирования (т. е. внедрение в решетку чужеродных атомов), создающие 
всякого рода несовершенства и искажения, кристаллической решетки, также 
являются методами создания - препятствий для свободного перемещения 
дислокации (блокирования дислокаций).Сюда же относятся способы образования 
структур с так называемыми упрочняющими фазами, вызывающими дисперсионное 
твердение и др. Однако при всех этих способах упрочнения прочность не 
достигает теоретического значения. Следовательно, в той или иной степени 
наличие дислокации в реальном металлическом кристалле | является причиной 
более низкой его прочности по сравнению с теоретической, и одновременно 
придающей способность пластически деформироваться. Можно ли в связи с этим 
рассматривать способность металла к пластическому деформированию как его 
недостаток? 
Опыт показывает, что способность реального металла пластически 
деформироваться является его важнейшим и полезнейшим свойством. Это 
свойство используют при различных технологических процессах — при протяжке 
проволоки, операциях гибки, высадки, вытяжки, штамповки и т. д. Большое 
значение оно имеет и для обеспечения конструктивной прочности или 
надежности металлических конструкций, деталей машин и других изделий из 
металла. Опыт показывает. что если металл находится в хрупком состоянии, т. 
е. если его способность к пластическому деформированию низка, то он в 
изделиях склонен к внезапным так называемым хрупким разрушениям, которые 
часто происходят даже при пониженных нагрузках на изделие. 
 
 

   кванты  передают определённую часть своей  энергии электронам 
кристаллической решётки. Свободная энергия металлической системы 
повышается, и при этом понижается энергия активации процессов, связанных 
с перемещением атомов и дефектов. В результате увеличения подвижности 
атомов и дефектов, а также в зависимости от физических и атомных 
параметров вещества и некоторых внешних факторов, может образоваться 
многообразие наблюдаемых методами электронной микроскопии радиационных 
дефектов: ассоциации вакансий и междоузельных атомов; дискообразные 
скопления точечных дефектов, захлопывающихся в определённых условиях в 
петли дислокаций, и многие 
другие дефекты. 
 
Увеличению подвижности точечных дефектов и атомов может способствовать и 
перераспределение относительной плотности свободных и локализованных 
электронов в микрообластях кристалла, возникающие как в результате 
образования радиационных дефектов, так и вследствие возникновения 
динамической дополнительной подвижности элементов системы. Как 
свидетельствуют опыты, значительно увеличивается подвижность атомов в 
зонах радиационных повреждений, создаваемых быстрыми заряженными 
частицами, осколками деления, либо ионизированными смещёнными атомами. 
 
Динамика образования определённого сложного радиационного дефекта 
зависит от параметров подвижности атомов и дефектов в металлическом 
твёрдом теле в процессе облучения. Немаловажное значение в увеличении 
подвижности дефектов, вероятно, играет и наведённое излучением 
электронное возбуждение, так как в области низких температур 
термодинамика предсказывает чрезвычайно низкие диффузионные 
характеристики атомов и дефектов, в то время как при облучении даже в 
области низких температур иногда наблюдаются ассоциации дефектов, 
которые могут образоваться только в результате диффузионного перемещения 
атомов либо дефектов. 
 
При достаточно высокой температуре, дефекты претерпевают ряд 
превращений: взаимно уничтожаются; часть дефектов может выходить на 
поверхность металла или границы зёрен. Если дефекты адсорбируются 
дислокацией, то это приводит к закреплению последних. Если поглощённых 
дефектов много, они перемещаются вдоль линии дислокации и, собираясь 
вместе, образуют зубцы, тормозящие движение дислокаций. В результате 
поглощения дефектов дислокация закрепляется, упрочняется материал. 
 
Точечные дефекты могут не только адсорбироваться дислокациями, но и 
объединяться, образуя дивакансии, тройные вакансии и комплексы вакансий. 
На дальних расстояниях вакансии не взаимодействуют, но при встрече они 
могут объединяться в прочный комплекс (его образование происходит с 
понижением энергии всей системы). Образованные поливакансии испытывают 
рост. Отдельные вакансии, непосредственно сливаясь в плоскости слоя или 
образуя сначала сферические полости, которые в дальнейшем сплющиваются, 
переходят в своеобразные кольцевые дислокации. Кольцевая дислокация 
может поворачиваться, подвижность её ограничена и носит диффузионный 
характер (дислокация может расти и уменьшаться в результате механизма 
переползания). Существенно важно, что кольцевая дислокация препятствует 
движению дислокаций обычного типа – краевых и винтовых. Появление 
кольцевых дислокаций упрочняет металл. Такие кольцевые дислокации 
действительно наблюдаются с помощью электронного микроскопа. 
 
 

Дефекты в кристаллах (от лат. defectus — недостаток, изъян), нарушения периодичности кристаллической структуры в реальных монокристаллах. В идеализированных структурах кристаллов атомы занимают строго определённые положения, образуя правильные трёхмерные решётки (кристаллические решётки). В реальных кристаллах (природных и искусственно выращенных) наблюдаются обычно различные отступления от правильного расположения атомов или ионов (или их групп). Такие нарушения могут быть либо атомарного масштаба, либо макроскопических размеров, заметные даже невооружённым глазом (см. Дефекты металлов). Помимо статических дефектов, существуют отклонения от идеальной решётки другого рода, связанные с тепловыми колебаниями частиц, составляющих решётку (динамические дефекты, см. Колебания кристаллической решётки). 

 Д. в к.  образуются в процессе их роста  (см. Кристаллизация), под влиянием тепловых, механических и электрических воздействий, а также при облучении нейтронами, электронами, рентгеновскими лучами, ультрафиолетовым излучением (радиационные дефекты) и т.п.  

 Различают  точечные дефекты (нульмерные), линейные (одномерные), дефекты, образующие в кристалле поверхности (двумерные), и объёмные дефекты (трёхмерные). У одномерного дефекта в одном направлении размер значительно больше, чем расстояние между соседними одноимёнными атомами (параметр решётки), а в двух других направлениях — того же порядка. У двумерного дефекта в двух направлениях размеры больше, чем расстояние между ближайшими атомами, и т.д. 

 Точечные  дефекты. Часть атомов или ионов  может отсутствовать на местах, соответствующих идеальной схеме  решётки. Такие дефектные места называются вакансиями. В кристаллах могут присутствовать чужеродные (примесные) атомы или ионы, замещая основные частицы, образующие кристалл, или внедряясь между ними. Точечными Д. в к. являются также собственные атомы или ионы, сместившиеся из нормальных положений (межузельные атомы и ионы), а также центры окраски — комбинации вакансий с электронами проводимости (F-центры), с примесными атомами и электронами проводимости (Z-центры) либо с дырками (V-центры). Центры окраски могут быть вызваны облучением кристаллов. 

 В ионных кристаллах, образованных частицами двух сортов (положительными и отрицательными), точечные дефекты возникают парами. Две вакансии противоположного знака образуют дефект по Шотки. Пара, состоящая из межузельного иона и оставленной им вакансии, называется дефектом по Френкелю.  

 Атомы в  кристаллах располагаются на  равном расстоянии друг от  друга рядами, вытянутыми вдоль  определённых кристаллографических  направлений. Если один атом  сместится из своего положения  под ударом налетевшей частицы, вызванной облучением, он может, в свою очередь, сместить соседний атом и т.д. Таким образом смещённым окажется целый ряд атомов, причём на каком-то отрезке ряда атомов один атом окажется лишним. Такое нарушение в расположении атомов или ионов вдоль определённых направлений с появлением лишнего атома или иона на отдельном участке ряда называется краудионом. Облучение выводит из положения равновесия атомы или ионы и в др. направлениях, причём движение передаётся по эстафете всё более далеко отстоящим атомам. По мере удаления от места столкновения налетевшей частицы с атомом кристалла передача импульса оказывается локализованной (сфокусированной) вдоль наиболее плотно упакованных направлений. Такая эстафетная передача импульса налетевшей частицы ионам или атомам кристалла с постоянной фокусировкой импульса вдоль плотно упакованных атомных рядов называется фокусоном. 

 Линейные  дефекты. В реальных кристаллах  некоторые атомные плоскости  могут обрываться. Края таких  оборванных (лишних) плоскостей образуют краевые дислокации. Существуют также винтовые дислокации, связанные с закручиванием атомных плоскостей в виде винтовой лестницы, а также более сложные типы дислокаций. Иногда линейные Д. в к. образуются из скопления точечных дефектов, расположенных цепочками (см. Дислокации). 

 Двумерные  дефекты. Такими Д. в к. являются  границы между участками кристалла,  повёрнутыми на разные (малые)  углы по отношению друг к  другу; границы двойников (см. Двойникование), дефекты упаковки (одноатомные двойниковые слои), границы электрических и магнитных доменов, антифазные границы в сплавах, границы включений другой фазы (например, мартенситной), границы зёрен (кристаллитов) в агрегатах кристаллов. Многие из поверхностных дефектов представляют собой ряды и сетки дислокаций, а совокупность таких сеток образует в поликристаллах границы зёрен; на этих границах собираются примесные атомы и инородные частицы. 

 Объёмные  дефекты. К ним относятся скопления вакансий, образующие поры и каналы; частицы, оседающие на различных дефектах (декорирующие), например пузырьки газов, пузырьки маточного раствора; скопления примесей в виде секторов (песочных часов) и зон роста. 

 В кристаллах дефекты вызывают упругие искажения структуры, обусловливающие, в свою очередь, появление внутренних механических напряжений (см. Напряжение механическое). Например, точечные дефекты, взаимодействуя с дислокациями, упрочняют или разупрочняют кристаллы. Д. в к. влияют на спектры поглощения, спектры люминесценции, рассеяние света в кристалле и т.д., изменяют электропроводность, теплопроводность, сегнетоэлектрические свойства (см. Сегнетоэлектрики), магнитные свойства и т.п. Подвижность дислокаций определяет пластичность кристаллов, скопления дислокаций вызывают появление внутренних напряжений и разрушение кристаллов. Дислокации являются местами скопления примесей. Дислокации препятствуют процессам намагничивания и электрической поляризации благодаря взаимодействию с границами доменов. Объёмные дефекты снижают пластичность, влияют на прочность, на электрические, оптические и магнитные свойства кристалла так же, как и дислокации. 
 
 

§111.5. РЕАЛЬНЫЕ КРИСТАЛЛЫ

Дефекты кристаллов и их возникновение. Ранее были рассмотрены физико-химические характеристики «идеальных» кристаллических структур. Закономерности формирования таких структур позволяют объяснить многие свойства и реальных кристаллов, такие, например, как плотность, диэлектрическая проницаемость, удельная теплоемкость, упругость. В то же время целый ряд очень важных свойств твердых систем (прочность, электрическая проводимость, теплопроводность, оптические и магнитные свойства, каталитическая активность) существенно зависит от того, насколько кристаллические структуры таких веществ отклоняются от идеальных. В реальных кристаллах всегда существуют структурные нарушения, обычно называемые несовершенствами или дефектами. Дефекты кристаллов иногда сообщают твердым телам весьма ценные свойства, в связи с чем их реализуют искусственным путем.

Можно указать  две основные причины возникновения  дефектов в кристаллах. Первая обусловлена  тепловым движением частиц, формирующих  кристалл. С повышением температуры  твердого тела энергия такого движения растет, поэтому возрастает и вероятность образования подобного рода дефектов, обычно называемых собственными или тепловыми. Другой вид дефектов связан с наличием в структуре вещества тех или иных примесей. Вообще говоря, абсолютно химически чистых веществ не существует. Однако влияние примесей на свойства вещества может быть незначительным, и тогда их присутствием пренебрегают. Когда присутствующие примеси существенно изменяют свойства твердого тела, говорят о дефектах химического состава кристалла или примесных дефектах.

Дефекты в кристаллах могут возникать и как следствие  воздействия на них внешних механических нагрузок. Так, при необратимом растяжении кристалла наступает его пластическая деформация, при которой в материале  возникают плоскости скольжения с наибольшим сдвигом. За счет механических нагрузок в кристалле могут возникать трещины и другие макродефекты.

Влияние точечных дефектов кристаллов иа свойства твердого тела. Дефекты того или иного типа влияют на свойства твердого тела в  зависимости от их положения в кристаллической решетке и числа подобных нарушений в единице объема кристалла. Обычно говорят о концентрации дефектов, относя их число или к единице объема, или к одному молю вещества.

Рассмотрим, какие  искажения вносят тепловые и примесные  дефекты в структуру кристаллов, а также влияние подобных искажений на свойства твердых тел. Тепловые дефекты возникают как следствие тепловых колебаний частиц в узлах пространственной решетки кристалла. Обычно тепловые колебания частиц не приводят к нарушениям идеальной структуры кристалла. Исключения возникают, если та или иная частица или группа частиц приобретают повышенный запас кинетической энергии и покидают узлы кристаллической решетки. В зависимости от геометрии возникающих при этом дефектов их можно разделить на три группы: точечные, линейные и поверхностные.

Точечные дефекты  возникают тогда, когда отдельные, изолированные атомы, молекулы или  ионы покидают свои места в узлах  кристаллической решетки и переходят  или в междоузлие, или на поверхность  кристалла, оставляя в решетке незаполненный узел, называемый вакансией. Механизм возникновения точечных дефектов представлен на рис. III.6. Наряду с повышением температуры возникновению точечных дефектов в кристаллах способствуют большие расстояния между узлами их решеток, а также малые размеры самих частиц.

С наличием в структуре  ионных кристаллов точечных дефектов существенно связана их электрическая  проводимость. Под действием электрического тока ближайший к вакансии ион  переходит на ее место, а в точке  его прежнего местоположения создается новая вакансия, занимаемая, в свою очередь, соседним ионом. Подобные «перескоки» ионов реализуются с большой частотой, обеспечиэая ионную проводимость кристалла. Благодаря точечным дефектам удается объяснить и существование в природе большого числа так называемых «нестехиометрических» соединений (соединений переменного состава), т.е. веществ, состав которых в твердом состоянии отклоняется от их молекулярного состава. Например, кристаллы оксида титана в зависимости от давления кислорода в окружающей среде могут иметь переменный состав от ТЮ0,б до ТЮ],35. При избытке атомов титана в кристалле имеется соответствующая концентрация вакансий кислорода, а при избытке атомов кислорода появляются вакансии титана. В кристаллах оксида цинка ZnO избыточное содержание атомов цинка объясняют нахождением последних в междоузлиях пространственной решетки.

Сильно влияют на свойства твердых тел точечные примесные  дефекты. При образовании последних  частицы примесей (молекулы, атомы  или ионы) располагаются или в узлах пространственной решетки кристалла, вытесняя из них частицы основного вещества, или занимают места в междоузлиях. Примесные дефекты в кристаллах могут существовать или в нейтральном, или в заряженном состоянии. В определенных условиях атомы примесей могут ионизироваться, существенно изменяя свойства кристалла. В качестве примера рассмотрим состояние примесных атомов алюминия и фосфора в кристаллах кремния. Кремний принадлежит к классу полупроводников и имеет ковалентную кристаллическую решетку типа алмаза (см. рис. III.2), в которой каждый атом связан с четырьмя соседними атомами электронами, расположенными на гибридных орбиталях.

Как показано на рис. III.7, примесные атомы алюминия и  фосфора замещают атомы кремния  в узлах решетки. Энергетическая однородность кристалла при этом нарушается. Атомы алюминия имеют лишь по три валентных электрона, что приводит к дефициту одного электрона в каждом занимаемом ими узле кристаллической решетки. Однако при сообщении атому алюминия небольшой энергии порядка 5,5 кДж/моль он захватывает недостающий электрон, превращаясь в отрицательно заряженный ион и образуя вблизи себя положительно заряженную дырку. Электрическая нейтральность кристалла при этом сохраняется. Аналогичное алюминию действие оказывают на свойства полупроводниковых кремния и германия примеси и других элементов, таких, как бор, галлий, индий, цинк, железо, марганец. Их называют акцепторными примесями.

Введение в кристаллический  кремний примесных атомов фосфора, имеющих по пять валентных электронов, также нарушает энергетическую однородность кристалла. В этих условиях каждый атом фосфора уже при сообщении ему энергии порядка 4,4 кДж/моль способен ионизироваться, перебрасывая один из своих электронов в зону проводимости и превращаясь в положительно заряженный ион. Аналогично ведут себя в кристаллах кремния и германия примесные атомы мышьяка, сурьмы и золота, обычно называемые до-норными примесями. Для получения полупроводника с определенной концентрацией носителей (электронов или дырок) необходимо, чтобы число собственных переносчиков тока в кристалле было примерно на два порядка ниже.

В отличие от полупроводников  электрическая проводимость металлов мало зависит от имеющихся в их структуре примесных дефектов. Однако примесные дефекты могут оказывать существенное влияние на другие свойства металлов. Так, механические характеристики металлов сильно зависят от наличия в их структуре междоузельных примесных дефектов. С учетом плотнейшей упаковки металлических кристаллов в междоузлия способны попадать лишь микрочастицы небольших размеров, такие, как атомы водорода, углерода, кислорода, азота. Кристаллы многих металлов часто поглощают большое количество указанных примесей. Например, количество водорода, поглощенного палладием или цирконием, обычно настолько велико, что его атомы заполняют почти все междоузлия в кристаллах указанных металлов.

Влияние линейных и  плоских дефектов на свойства твердых  тел. Более сложным видом нарушений  структуры кристалла являются линейные дефекты или дислокации. Их возникновение обусловлено нарушением местоположения целой группы частиц, размещенных вдоль какой-либо воображаемой линии в кристалле. Возникновение дислокаций требует большой энергии, поэтому их число мало зависит от температуры кристалла и в обычных кристаллических образцах имеет порядок 106—107 в 1 см3. Как правило, дислокации образуются в процессе выращивания кристалла или при его механической и термической обработке.

Различают краевые  и винтовые дислокации. Краевая дислокация возникает (рис. III.8, а) за счет появления в объеме кристалла лишней атомной плоскости. Собственно под дислокацией и понимается линия искажения, проходящая вдоль края этой лишней плоскости. На рис. III.8, б приведен пример винтовой дислокации. Последняя образуется за счет смещения микрочастиц в одной части кристалла по отношению к другой его части, в результате чего вокруг линии дислокации образуется винтообразная плоскость. Дислокации являются причиной пластичности кристаллов. Деформация кристалла обычно совершается за счет движения дислокации в его объеме, что требует меньших затрат энергии, чем можно было бы предположить исходя из энергии его кристаллической решетки.

Еще более сложным  видом искажений кристалла служат плЪские дефекты. Их наличие приводит к тому, что поликристаллические  вещества состоят из определенного набора зерен или блоков, соединенных между собой и ориентированных произвольным образом (рис. III.8, в). Области на границах между зернами имеют искаженную кристаллическую структуру.

Особенности блочной  структуры вещества существенно влияют на оптические и электрические характеристики твердого тела, а также на его химическую активность. Вещество на границах зерен и блоков обладает, как правило, повышенной реакционной способностью и может даже отличаться от остального объема зерна по химическому составу.

Наличие дислокаций и плоских дефектов в реальных кристаллах сильно сказывается на механических свойствах твердых тел. Однако это  отнюдь не означает, что монокристаллы  вещества по прочности всегда будут  превосходить его поликристаллические конгломераты. Все будет зависеть от степени взаимодействия дислокаций и плоских дефектов с другими дефектами твердого тела. Так, монокристаллы чистого железа очень пластичны, в то время как стали, имеющие блочную структуру, проявляют прочность в сотни раз большую за счет взаимодействия дислокаций с примесными дефектами. Междоузельные примесные дефекты, как правило, затрудняют движение дислокаций, осложняя механическую обработку металлов. В связи с этим при механической обработке высокопрочных металлов, таких, как титан, молибден, бериллий, вольфрам, обычно проводят их тщательную очистку от примесей азота и кислорода.