Дефекты кристаллической решетки: вакансии и их формирование.
Vacancy defect
Дефекты кристаллической решетки: вакансии – отсутствие атомов в узлах. Рассматривается равновесная концентрация вакансий, зависимость от температуры и энергии образования.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Введение
Кристаллографический дефект; атом, отсутствующий в узле решетки
Crystallographic defect; an atom missing from a lattice site
В кристаллографии вакансия – это тип точечного дефекта в кристалле, при котором атом отсутствует в одном из узлов решетки. Кристаллы по своей природе обладают несовершенствами, иногда называемыми кристаллографическими дефектами. Вакансии естественным образом возникают во всех кристаллических материалах. При любой температуре, вплоть до точки плавления материала, существует равновесная концентрация (отношение числа вакантных узлов решетки к общему числу узлов, занятых атомами). Эта температурная зависимость может быть описана следующим образом:
In crystallography, a vacancy is a type of point defect in a crystal where an atom is missing from one of the lattice sites. Crystals inherently possess imperfections, sometimes referred to as crystallographic defects. Vacancies occur naturally in all crystalline materials. At any given temperature, up to the melting point of the material, there is an equilibrium concentration (ratio of vacant lattice sites to those containing atoms). This temperature dependence can be modelled by
где Nv – концентрация вакансий, Qv – энергия, необходимая для образования вакансии, kB – постоянная Больцмана, T – абсолютная температура, а N – концентрация узлов решетки, то есть
where Nv is the vacancy concentration, Qv is the energy required for vacancy formation, kB is the Boltzmann constant, T is the absolute temperature, and N is the concentration of atomic sites i. e.
где m – масса, NA – постоянная Авогадро, а M – молярная масса. Это самый простой точечный дефект. В данной системе атом отсутствует в своем обычном положении в решетке. Вакансии формируются в процессе затвердевания вследствие колебаний атомов, локальной перегруппировки атомов, пластической деформации и ионной бомбардировки. Образование вакансии можно смоделировать, рассмотрев энергию, необходимую для разрыва связей между атомом внутри кристалла и его ближайшими соседями. После удаления атома из узла решетки он оказывается на поверхности кристалла, и часть энергии возвращается, поскольку формируются новые связи с другими атомами на поверхности. Однако, наблюдается чистый прирост энергии, так как число связей между поверхностными атомами меньше, чем между атомами внутри кристалла.
where m is mass, NA the Avogadro constant, and M the molar mass. It is the simplest point defect. In this system, an atom is missing from its regular atomic site. Vacancies are formed during solidification due to vibration of atoms, local rearrangement of atoms, plastic deformation and ionic bombardments. The creation of a vacancy can be simply modeled by considering the energy required to break the bonds between an atom inside the crystal and its nearest neighbor atoms. Once that atom is removed from the lattice site, it is put back on the surface of the crystal and some energy is retrieved because new bonds are established with other atoms on the surface. However, there is a net input of energy because there are fewer bonds between surface atoms than between atoms in the interior of the crystal.
Физика материалов
В большинстве применений дефекты в виде вакансий не влияют на целевое назначение материала, поскольку их количество слишком мало или они распределены в многомерном пространстве таким образом, что сила или заряд могут обходить вакансию. Однако, в случае более ограниченных структур, таких как углеродные нанотрубки, вакансии и другие кристаллические дефекты могут существенно снижать прочность материала.
In most applications vacancy defects are irrelevant to the intended purpose of a material, as they are either too few or spaced throughout a multi dimensional space in such a way that force or charge can move around the vacancy. In the case of more constrained structures like carbon nanotubes however, vacancies and other crystalline defects can significantly weaken the material.