В соответствии с пятью видами сил связи различают пять типов кристаллических решеток:
а) молекулярную решетку имеют все инертные элементы в твердой фазе.
Между атомами возникают силы Ван-дер-Ваальса. При этом формируется кубическая гранецентрированная решетка с координационным числом (числом ближайших атомов) 12, рис.1.8, а;
б) ионные решетки являются основными среди неорганических соединений. Тип кристаллической решетки зависит от размеров ионов, но всегда формируется структура с наиболее плотной упаковкой, причем ионы одного знака всегда окружены ионами противоположного заряда. Типичным представителем ионного кристалла является хлористый вник ионного кристалла является хлористый натрнийатNриaйCNl, aрCиlс,. 1р.и8с,. Б1;. 8, б;
в) атомные кристаллы, например, Ge, Si, P, As, Sb, Bi, Se, Te, J, SiO2, образуются за счет ковалентной связи. Координационное число равно 8-N, где N - номер группы в периодической системе элементов.
Например, атомы элементов 4-й группы углерод, германий, кремний, имеют по четыре валентных электрона. До полного заполнения электронной оболочки не хватает еще четырех электронов. Поэтому каждый атом образует ковалентную связь с четырьмя атомами, и формируется кристаллическая решетка типа алмаза, рис1.8, в. Некоторым твердым телам присуща не одна, а несколько кристаллических структур, которые устойчивы при различных уморис.1.8, г) с гексагональной кристаллической решеткой;
г) металлы имеют кристаллические решетки: кубическую гранецентрированную (рис1.8.а), гексагональную плотной упаковки (рис.1.8, д), кубическая объемноцентрированная (рис.1.8, е);
д) решетку с водородной связью имеет лед. Описанная выше идеальная структура кристаллов с дальним порядком размещения атомов в реальных условиях не существует. Термодинамически равноважною является структура с различными видами несовершенства (дефектами). Все дефекты делятся на точечные и пространственные.
К точечным дефектам относятся:
а) дефекты при Френкелем (рис.1.9, а), когда отдельные атомы за счет тепловой энергии покидают свое место и переходят в пространство между узлами. Этот атом, как образована работа, движутся по кристаллу. Вакансия перемещается вследствие поестафетного ее заполнения другими регулярными атомами;
б) дефекты по Шоттки, когда поверхностный атом полностью теряет связь с кристаллом ("испаряются") и переходит в пар (рис.1.9, б), или частично теряет связь с поверхностью и переходит в положение над поверхностью (частичное " испарения ") (рис.1.9, в). При замещении вакансии атомами из глубины кристалла, она затягивается в объем;
в) примесные атомы замещения, рис.1.10, а), когда посторонний атом заменяет регулярный, и примесные атомы внедрения, рис.1.10, б), когда другой атом находится в межузловых пространстве. Современными методами очистки можно получать материалы, содержащие до 10-9% примеси. Такая чистота аналогичная наличии в 10 тонах пшеницы одного зерна ячменя.
Пространственные дефекты - это:
а) мозаичная структура. Каждый монокристалл состоит из монокристаллических блоков размерами от 10-6 до 10-8м, имеющих различную ориентацию. Угол розориентации составляет несколько минут. В местах соприкосновения блоков возникает переходный слой, в котором происходит переход от одной ориентации к другой. Внешний вид поверхности такого кристалла напоминает мозаику;
б) дислокации. Понятие дислокаций было введено при теоретическом расчете прочности кристаллов на сдвиг. Согласно теории под действием скалывающих напряжений происходит переключение межатомных связей по всему кристаллу, т.е. происходит сдвиг одной части кристалла относительно другой одновременно по всей плоскости скольжения. Но оказалось, что теоретическая прочность на 3-4 порядка больше экспериментально вы-мирян. Такое расхождение было объяснено тем, что смещение и переключения связей происходит не по всему кристаллу, а только в его части.
Вследствие этого в одной части кристалла возникает недостроенная плоскость М (рис.1.11), которая называется екстраплощиною. Граница О повидбувся смещение, от области КМОП не охваченной смещением, называется линейной дислокацией. Линия о - центр дислокации. Вектор b, в направлении которого произошло смещение, называется вектором сдвига, или вектором Бюргерса.
Расстояние между атомами в части кристалла с екстраплощиною меньше нормальной (решетка сжата), другая часть растянута. На рис.1.11 дислокации а) и б) имеют противоположные знаки - одна положительная, другая отрицательная.
Если при деформации сдвига происходит неполный единичный сдвиг, например, при резке ножницами (рис.1.12), возникают винтовые дислокации (правогвинтови и ливогвинтови). АВ - ось дислокации. Дислокации в кристалле возникают в процессе его образования при росте блоков (рис.1.13), при деформациях (клевета, прокатка, ковка).
Дислокации могут двигаться по кристаллу, преодолевая препятствия в виде различных дефектов, как это показано на рис.1.14. При этом вблизи дефектов накапливается большое количество дислокаций, что может привести к появлению микротрещин, и, как следствие, к разрушению кристалла.
Поэтому для повышения прочности необходимо:
а) формировать бездислокационных кристаллы, технологически сложно. Такие кристаллы имеют небольшие размеры, порядка 10мкм, так называемые "усы".
Их прочность близка к теоретически рассчитанной;
б) воспрепятствовать накоплению дислокаций в одном месте. Для этого необходимо ограничить их подвижность, что достигается созданием большой концентрации дефектов. Это достигается введением легирующих примесей и закаливанием. При закаливании образуются дефекты за Френкелем и по Шоттки, которые при быстром охлаждении не исчезают, а "замораживаются".