Дефекты кристаллической структуры (общая характеристика и основная классификация)

Возрастание требований к чистоте и структурной однородности монокристаллов, применяемых в оптике, акустооптике, ИК-оптике, оптоэлектронике и фотонике, связано со стремлением к максимальному повышению функциональных возможностей и характеристик соответствующих полупроводниковых электронных устройств.

В ряде работ подробно изучена связь между структурными дефектами в германии и оптическими неоднородностями в этих кристаллах. В частности, обнаружена корреляция между интенсивностью рассеяния света и плотностью дислокаций в германии. Исследованы малоугловые границы, а также пространственное распределение дислокаций и удельного электросопротивления по кристаллам [6-12].

Значительно менее полно исследована взаимосвязь между кинетикой роста кристаллов германия и образованием дефектов структуры различных размерностей, в том числе и дислокаций [13-17]. Это обусловлено как существенными трудностями экспериментального характера при измерениях мгновенных скоростей роста и колебаний температуры на фронте кристаллизации, так и на отсутствии хорошо разработанной теории, позволяющей рассчитывать кинетические коэффициенты.

По общепринятой классификации к структурным дефектам кристаллических материалов относят нарушения идеальной трансляционной симметрии кристаллической решётки [18-20]. Дефекты оказывают существенное влияние на многие свойства твердых тел: электропроводность,

фотопроводимость, теплопроводность, скорость диффузии, магнитные свойства, твердость, прочность и пластичность, плотность и т. д. Зависимость этих параметров твердого тела от дефектов может оказаться настолько велика, что в итоге они будут определяться не столько исходной структурой материала, сколько типом и числом дефектов в нем.

Существует несколько способов классификации дефектов [19-26]: деление дефектов на собственные и примесные, а также рассмотрение дефектов с позиций равновесия в системе (равновесные и неравновесные). Примесные дефекты обусловлены присутствием чужеродных атомов или молекул. Собственные дефекты не меняют качественного состава кристалла (меняется лишь количественный состав). Их возникновение связано с влиянием температуры, механических радиационных и других видов воздействия на твердую фазу. Концентрация равновесных дефектов для конкретного кристалла однозначно зависит от температуры. Следует учитывать кинетический фактор, так как перемещение атомов в твердых телах даже при высоких температурах осуществляется достаточно медленно. Поэтому точное соответствие должно учитывать время достижения равновесного состояния.

Неравновесные дефекты также подвержены влиянию температуры. При выдерживании кристалл с дефектами при постоянной повышенной) температуре достаточно длительное время, может происходить так называемый температурный отжиг дефектов, в процессе которого концентрация неравновесных дефектов уменьшается.

Наиболее детальной является классификация дефектов по геометрическим признакам - точечные и протяженные. Точечные (нульмерные) дефекты характеризуются тем, что искажения решетки сосредоточены в окрестностях одного узла, то есть локализованы на расстояниях порядка межатомного а; у протяженных дефектов их размеры в одном, двух и трех направлениях соответственно существенно превышают значение а. Протяженные дефекты могут быть линейными (дислокации), плоскостными (межфазные границы) и объемными (поры, трещины).

Нульмерные (точечные) дефекты

К нульмерным дефектам относят дефекты, которые связаны со смещением или заменой небольшой группы атомов (собственные точечные дефекты), а также с примесями. Они возникают при нагреве, легировании, в процессе роста кристалла и в результате радиационного облучения. Свойства таких дефектов и механизмы их образования наиболее изучены, включая движение, взаимодействие, аннигиляцию, испарение [19-21, 25-26].

Вакансии, как и другие точечные дефекты, являются центрами деформации (дилатации): частицы, окружающие вакантный узел. Вакансии смещаются относительно положений равновесия (в узлах кристаллической решётки), что приводит к появлению внутреннего поля механических напряжений. На больших расстояниях г от вакансии поле напряжений убывает как l∕r⁵. В объёме совершенного кристалла одиночные вакансии появляться и

исчезать не могут; источниками (и стоками) вакансий служат поверхность кристалла, границы зёрен в поликристалле, дислокации. Возможны также процессы образования и уничтожения вакансий в паре с межузельным атомом (пары Френкеля). Энергия вакансии зависит от напряжений в кристалле.

Собственный межузельный атом - атом основного элемента, находящийся в междоузельном положении элементарной ячейки.

Точечные дефекты и их ассоциация в кристаллах играют важную роль в теории твердого тела и объяснении электрических явлений в полупроводниках, проводимости твердых тел, фазовых превращений, оптических свойств, химической связи в кристаллах.

Одномерные (линейные) дефекты

Одномерные дефекты представляют собой дефекты кристалла, размер которых по одному направлению много больше параметров решётки, а по двум другим - соизмерим с ним. К линейным дефектам относят дислокации и дисклинации.

Границы области незавершенного сдвига в кристалле - дислокации характеризуются вектором сдвига (вектором Бюргерса) и углом φ между ним и линией дислокации. При φ ^- 0 дислокация является, при φ=90^o- краевой, при других углах - смешанной и тогда может быть разложена на винтовую и краевую компоненты. Дислокации возникают в процессе роста кристалла; при его пластической деформации и во многих других случаях. Дисклинация -

граница области незавершенного поворота в кристалле. Характеризуется вектором поворота. Дислокации оказывают большое влияние как на процессы роста кристаллов, так и на их механические свойства. В полупроводниках они влияют, кроме того, и на электрические свойства. Дислокации участвуют в процессах образования и исчезновения собственных точечных дефектов (атомы в междоузлиях, вакансии), давая возможность этим процессам проходить внутри кристалла и исключая необходимость диффузии к внешней поверхности кристалла.

Двумерные дефекты

Двумерными, или поверхностными дефектами являются дефекты упаковки, малоугловые границы (представляющие собой ассоциации дислокаций), границы двойников и зёрен, сама поверхность кристалла. Поверхностные дефекты, обрывающиеся внутри кристалла, ограничены полными или частичными дислокациями либо дисклинациями.

Трехмерные дефекты

К трехмерным (объемным) дефектам относятся скопления вакансий, образующие поры и каналы; частицы, оседающие на различных дефектах (декорирующие), например, пузырьки газов, пузырьки маточного раствора; скопления примесей и зон роста. Как правило, это поры или включения примесных фаз. Происхождение - нарушение режимов роста кристалла, распад пересыщенного твердого раствора, загрязнение образцов.

Основное отличие точечных дефектов от линейных, двумерных и объемных дефектов состоит в том, что они могут существовать в кристалле как в термодинамически равновесном, так и в метастабильном состояниях при конечной температуре [19-26].

Линейные, двумерные и объемные дефекты являются метастабильными образованиями, возникающими при росте, механической деформации или при термической обработке кристалла. Дефекты влияют практически на все свойства кристалла. Каждый тип дефектов по-своему влияет на структурно­чувствительные свойства материала: диффузионные явления (движение

точечных дефектов), пластичность (движение дислокаций дефектов), разрушение (зарождение и рост трещин при дислокаций), рекристаллизация, двойникование, фазовые

и точечных

объединении

превращения (движение межзеренных и межфазных границ), радиационные явления (изменения свойств кристаллов под действием быстрых частиц, создающих точечные дефекты), электрические, оптические и другие свойства, обусловленные взаимодействием носителей заряда с дефектами. При наличии в кристалле большого числа различных дефектов невозможно получить материал с контролируемыми параметрами. В связи с этим перед материаловедением и технологией стоит задача получения структурно совершенных и чистых материалов или материалов с определенным типом и концентрацией дефектов, то есть таких материалов, параметрами которых можно было бы управлять. Поэтому выяснение причин возникновения различных структурных дефектов, изучение их поведения в кристалле, их влияния на те или иные параметры материала, разработка методов управления концентрацией дефектов являются важнейшими задачами материаловедения и технологии [20-27]

Выращивание монокристаллов германия и парателлурита из расплава обычно сопровождается возникновением в них термоупругих напряжений и структурных дефектов. Вид дефектов, их распределение в объеме монокристалла и концентрация зависят от условий получения - метода выращивания, температурных условий, размеров монокристаллов и других факторов.

1.2