Диффузию
в твердых телах в настоящее время наиболее эффективно изучают с использованием
"меченых атомов". Для таких исследований на поверхность вещества наносят определенное
количество радиоактивных меченых атомов. Затем образец выдерживается при заданной
температуре в течение времени достаточного для диффузии "меченых атомов" на глубину
порядка 0,3-1 мм. Затем измеряется активность образца. После удаления шлифованием
слоя вещества заданной толщины снова измеряется активность образца, и так несколько
раз. Таким образом можно определить среднюю глубину проникновения "меченых атомов"
в вещество и вычислить коэффициент диффузии
при заданной температуре. Проделав серию опытов при различных температурах можно
определить параметры
и
формулы (2.12).
Можно
по формулам (2.3) и (2.4) и данным табл. 1.1 получить оценки частот перескоков
атомов при различных температурах. Так атом углерода в альфа-железе при температуре
1800 К перескакивает 10
11 раз в секунду, при комнатной температуре
- 1 раз за десятки секунд. Таким образом, заметную роль диффузия играет только
при высоких температурах, сопоставимых с температурой плавления вещества. Известно,
что защитное никелевое или хромовое покрытие железа при комнатной температуре
практически не "впитывается" в железо, а при температуре 1000-1300 К этот процесс
сильно ускоряется. Кратковременные нагревы для легирования полупроводника примесями
используются в полупроводниковой технике изготовления интегральных схем: нанесенные
напылением на нужные участки поверхности полупроводникового кристалла легирующие
примеси при нагреве на несколько сотен градусов диффундируют в полупроводник и
легируют его, образуя в кристалле сложную систему областей полупроводников
-
и
- типа.
Диффузия,
происходящая главным образом за счет перемещения дефектов, является механизмом
постепенного изменения числа дефектов в веществе. Известно (см. формулу (2.1)),
что вероятность образования дефекта при температуре, значительно меньшей температуры
плавления вещества, очень мала. Однако обычно число дефектов во много раз больше,
так как дефекты зарождались при высоких температурах: либо во время роста кристаллов,
либо после закалки от высокой температуры. Постепенно плотность дефектов уменьшается.
Происходит это благодаря либо попаданию межузельных атомов в вакансию (рекомбинация
дефектов, подобная рекомбинации электронов и дырок в полупроводниках), либо благодаря
перемещению дефекта на поверхность кристалла или границы кристаллического зерна.
В некоторых случаях (см. разд. 2.3) точечные дефекты - примесные атомы группируются,
образуя выделения новой фазы. Перечисленные процессы называют залечиванием дефектов.
Энергия связи
ядра Ядро представляет систему связанных между собой нуклонов. Возникновение
связанного состояния возможно только под действием ядерных сил притяжения, удерживающих
нуклоны в ограниченном объеме. Устойчивость связанного состояния обеспечивается
тем, что ядро как система из взаимодействующих между собой нуклонов должна иметь
минимум полной энергии
Часто
проводят специальные термообработки, состоящие в длительных выдержках детали при
постепенно понижающейся температуре, имеющие целью ускорить залечивание дефектов.
После такой термообработки количество дефектов меньше меняется впоследствии, а
значит, меньше изменяются и свойства материала в процессе его эксплуатации. По
таким схемам обрабатывают, например, калиброванные электросопротивления точных
приборов, постоянные магниты и т. п.
Влияние
точечных дефектов на электропроводность. Электропроводность реальных кристаллов
оказывается значительно выше электропроводности идеального кристалла-диэлектрика,
вычисленной в рамках зонной теории. Это связано с двумя главными причинами.
Во-первых,
с наличием донорных или акцепторных примесей, которые увеличивают проводимость
диэлектрика по тем же механизмам что и полупроводников (см. главу 4).
Во-вторых,
с облегченным переносом заряда ионами вблизи вакансий в ионных кристаллах (и в
меньшей степени межузельными ионами) по механизму схематически изображенному на
рис. 2.3. Если вакансия 3, в которой должен был бы находиться положительный ион,
оказывается во внешнем электрическом поле
,
то вероятность перескока в нее положительного иона в направлении
будет несколько выше, чем для иона в направлении, противоположном
.
В среднем положительно заряженные ионы буду перемещаться вдоль направления внешнего
электрического поля и давать вклад в электропроводность. Аналогично, во внешнем
электрическом поле
отрицательно заряженному иону выгоднее переместиться в вакансию в направлении
противоположном
,
чем в направлении поля
.
Тогда отрицательно заряженные ионы будут перемещаться в направлении против поля
и также давать
вклад в электропроводность. Во всех этих случаях вакансия как бы перемещается
по кристаллу и обеспечивает перенос заряда, хотя фактически заряд переносят ионы,
которые по-разному группируются вблизи вакансии. В таком случае говорят о вакансионном
механизме переноса заряда подобно тому, как в главе 4 мы рассматривали дырочный
механизм переноса заряда в полупроводниках. Перенос заряда по такому механизму
требует преодоления значительно меньших потенциальных барьеров, чем, скажем, передача
электрона от иона к иону.
Межузельзый
ион 4 (см. рис. 2.3) также преимущественно перемещается (перескакивает) в направлении
внешнего электрического поля
.
Влияние
точечных дефектов на окраску кристаллов. Примесные атомы изменяют окраску кристаллов,
например, примеси замещения - ионы хрома в кристаллах
обеспечивают их красную окраску (получаются кристаллы рубина), ионы титана в кристаллах
обеспечивают
их голубую окраску (получаются кристаллы сапфира).
Методы
изучения точечных дефектов. Число вакансий в единице объема можно оценить по сопоставлению
результатов точного определения параметра решетки рентгеновским методом и точного
определения плотности вещества как отношения его массы к объему. Метод основан
на том, что вакансии крайне мало изменяют параметр решетки, но увеличивают объем
кристалла, а значит уменьшают его плотность. Таким же способом, но с меньшей точностью,
можно определить число межузельных атомов в единице объема, поскольку межузельные
атомы несколько увеличивают плотность кристалла и слабее изменяют его параметр
решетки. Если в кристалле присутствуют и вакансии и межузельные атомы, то описанным
методом можно лишь оценить разность чисел вакансий и межузельных атомов в единице
объема. Аналогично, плотность дефектов по Френкелю этим методом точно определить
не удается.
Рассмотренные
выше измерения электросопротивления и диффузии, а также измерения коэффициента
поглощения различных электромагнитных излучений позволяют изучать точечные дефекты
в кристаллах.
[an error occurred while processing this directive]
