Дефекты кристаллической структуры (точечные дефекты, линейные дефекты) Дефект по Френкелю

Дефекты кристаллической структуры
(точечные дефекты, линейные дефекты)
Дефект по Френкелю (пара Френкеля) — точечный дефект, представляющий собой
пару, состоящую из вакансии и междоузельного атома (иона).
Возникают в
результате
термоактивацион
ных процессов,
радиационного
облучения и т.д.
Дефе́кт по Шо́ттки — вакансия,
не сопровождающаяся
возникновением
междоузельного атома (иона).
Плотность кристалла
уменьшается (ионы выходят на
поверхность).
Примесные атомы (ионы) внедрения и
замещения
1
Линейные дефекты - дислокации
Краевая дислокация ОО/,
возникшая в результате сдвига
Пластическая деформация как
результат движения краевой
дислокации
Винтовая дислокация
2
Дифракция рентгеновских лучей – определение структуры кристаллов
Межатомные расстояния имеют порядок нескольких ангстрем
(1 nm = 10 Å)
Брэгговское отражение
q
q  q0  B
B
q0
3
Экспериментальные методы
1. Метод Лауэ (для монокристаллов)
Применяется, в основном, для
ориентирования кристаллов
2. Метод вращения образца
(для монокристаллов)
3. Метод порошковой
дифракции (порошки,
композиты)
4
Дифрактограмма порошка NaCl
Формула Дебая-Шеррера для
определения размеров
нанокристаллов:
Уширение линий для наночастиц хрома
по сравнению с металлическим хромом
5
Классификация твердых тел по проводимости
Состояние электронов в изолированном атоме.
главное квантовое число n
орбитальное квантовое число l (характеризует форму орбиталей и
принимает значения от 0 до n – 1)
l = 0 1 2 3 4 …
l = s p d f g …
магнитное квантовое число m (принимает целые значения от –l до + l
через единицу, всего 2l + 1 значений)
спиновое квантовое число ms имеет два значения ms = ±1/2
В многоэлектронных атомах энергия атомных орбиталей возрастает согласно ряду
1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s ≈ 3d < 4p < 5s ≈ 4d < 5p < 6s ≈ 4f ≈ 5d < 6p < 7s ≈ 5f ≈ 6d < 7p
6
Энергетические зоны
Be
Na
Металлы, полупроводники, диэлектрики
Условность разделения, широкозонные полупроводники
7
Типы связи в кристаллах
Ковалентная связь, ионная связь,
металлическая связь, молекулярная связь
(Ван-дер-Вааальса), водородная связь
Ионная связь.
Реализуется в ионных кристаллах, где притяжение обусловлено, главным образом,
кулоновским взаимодействием между разноименно заряженными ионами.
LiF, NaCl, KBr, CsCl и т.д.
Один из атомов отдает электрон и становится катионом, другой атом принимает
электрон и становится анионом.
Вклады в энергию связи ионного кристалла по мере их значимости:
1. кулоновское притяжение ионов разного знака;
2. кулоновское отталкивание ионов одного знака;
3. квантово-механическое отталкивание при перекрывании электронных оболочек;
4. ван-дер-ваальсово притяжение между ионами.
Ионная связь не направленная и не насыщенная
8
Оценка для NaCl
V 
e
2
R0


4 . 8  10
 10
2 . 8  10

2
8
8  10
 12
erg
5 eV
1erg  6 . 2  10 eV
11
из эксперимента 8 eV
Для атома в кристалле с 2
сортами атомов
А - постоянная Маделунга, зависит от типа кристаллической структуры.
Для структуры NaCl A = 1.748, сфалерита – А = 1.638
Для NaCl n=9.4
Ковалентная связь.
Реализуется во многих диэлектриках и полупроводниках. Примеры: алмаз,
германий, кремний. Валентные электроны обобществляются.
Направленная и насыщенная, бывает полярной
и неполярной
Обобществляется пара электронов, но может
быть и один электрон, как в молекуле
9
Потенциал взаимодействия в ковалентных кристаллах
U(r ) 
a
r
Часто применяется
4

B
r
n
n=6-9
где a, c и a – подгоночные
параметры
Энергия связи на один атом
С60
связи одинарные (двухэлектронная
двухцентровая) и двойные
(четырёхэлектронная двухцентровая)
10
Гибридизация орбиталей
На примере CH4
уровни энергии электронов в атоме углерода
sp3 - гибридизация
11
Схема гибридизации атомных орбиталей атома углерода
d
Аналогично гибридизация 3s и 3p электронов для Si и 4s и 4p электронов для Ge
12
Графен
Связи одинарные, sp2 – гибридизация: три
гибридные орбитали в одной плоскости,
направленные под углом 120 градусов.
2pz-состояние отвечает в графите за
образование межплоскостных связей
Углеродные нанотрубки —структуры
диаметром от одного до нескольких
десятков nm и длиной до нескольких
cm, состоящие из одной или
нескольких свёрнутых в трубку
графеновых плоскостей и
заканчивающиеся обычно полусферой
13
Металлическая связь.
Металлы и интерметаллические
соединения (интерметаллики)
Большинство металлов образует одну из
решёток с плотной упаковкой атомов:
кубическую объемноцентрированную,
кубическую гранецентрированную и
гексагональную.
Металлическая связь не направленная и не насыщенная, достаточно сильная (4…5 eV).
14
Связь Ван-дер-Ваальса
Обусловлена диполь-дипольным взаимодействием атомов и молекул, реализуется в
молекулярных кристаллах и кристаллах инертных газов, обусловливают возможность
существования агрегатных состояний инертных газов
Слабая: 0.02 – 0.15 eV на атом.
Три типа (электромагнитное взаимодействие):
Ориентационные силы - между молекулами, являющимися постоянными диполями.
(HCl в жидком и твердом состоянии). Энергия взаимодействия обратно
пропорциональна кубу расстояния между диполями.
Дисперсионное притяжение (лондоновские силы) - между мгновенным и
наведенным диполем. Силы Ван-дер-Ваальса возникают, например, когда в результате
флуктуационного разделения зарядов в каком-либо одном атоме кристалла возникает
ненулевой электрический дипольный момент p1. Соседние атомы также поляризуются,
их индуцированные дипольные моменты пропорциональны p1. Такие атомы будут
притягиваться друг к другу.
Притяжение из-за поля E
и
Индукционное притяжение - между постоянным диполем и наведенным
(индуцированным). Энергия взаимодействия аналогична.
15
потенциал Ван дер Ваальса
VW  
A
r
6

B
r
m
потенциал Леннарда-Джонса
V LJ  
A
6

B
r
r
Обуславливает сцепление частиц малых астероидов и т.п.
12
16
Водородная связь
Водородная связь — форма ассоциации между электроотрицательным атомом и
атомом водорода H, связанным ковалентно с другим электроотрицательным атомом.
В качестве электроотрицательных атомов могут выступать N, O или F. Водородные
связи могут быть межмолекулярными или внутримолекулярными.
Слабые – 0.1 eV. Самые сильные водородные связи — F-H…F
Внутримолекулярная водородная
связь проявляется в образовании
пептидных цепей
Водные комплексы
сеть молекул
, соединённых
водородными связями с пустотами - лед
17