Cтруктура твердых тел. Дефекты структуры

Структура твердых тел. Твердые тела характеризуются, как правило, регулярным рас­по­ложением атомов и молекул. Раз­ли­чают  аморф­ную и крис­тал­ли­ческую стру­к­ту­ру твердых тел.

Аморф­ные  стру­к­ту­ры - это структуры,  не име­ю­щие явно вы­ра­­­­жен­­ного даль­него по­рядка в расположении ато­мов. К таким ма­­­­те­риалам относятся, на­пример, стекла, многие орга­нические ма­­­териалы и т. д.

Кристаллические структуры - это стру­­к­ту­ры, пред­став­ля­ю­щие пе­ри­о­ди­че­с­­кую  решетку, в узлах которой рас­по­ло­­жены ато­­мы (рис. 1.4). Трехмерная кри­­­стал­ли­чес­кая структу­ра пред­ста­в­­ля­ет ре­­­­ше­тку, по­стро­ен­ную на трех ко­­ор­ди­на­­­т­ных осях x, y, z, рас­­по­­ло­­же­н­­ных в об­­­щем случае под углами a, b, g . Периоды тран­с­­ля­­ции атомов по осям (параметры решетки) рав­ны, со­­­­­от­вет­с­т­ве­н­но, a, b, c. Эле­мен­та­р_­­ная яче­й­ка кри­стал­ла - это параллелепипед, по­­с­тро­ен­­ный на ве­­к­то­рах трансляции a, b, c. Такая ячейка называется примитивной.

В ре­зу­ль­та­те тран­с­ля­­ции эле­мен­тарной яче­­й­­ки  в про­с­т­ра­­нстве получается про­стра­н­­с­т­­вен­ная про­стая ре­ше­тка - так назы­ва­е­мая  ре­ше­т­ка Браве. Су­ще­­ст­ву­ет четыр­на­д­цать ти­­пов ре­­шеток Браве. Эти решетки отличаются друг от друга видом элементарных ячеек. Решетки Браве подразделяются на семь систем, называемых кристал­ло­гра­фи­ческими син­го­ниями, в соответствии с семью различными типами эле­мен­­тарных ячеек: три­клинной, моноклинной, ромбической, тет­ра­го­наль­ной, триго­наль­ной, кубической и гексагональной. Эти элементарные ячейки могут быть как примитивными, так и сложными.

На рис 1.6 изображены сложные эле­­ме­н­та­р­ные ячейки.

Объемноцентрированная (ОЦ) ячейка (рис. 1.5, а) - содержит до­­­­пол­нительно один атом на пересечении про­стра­н­ственных  диа­­го­налей куба (или, в общем случае, па­ра­л­­ле­ле­пипеда). В ОЦ ку­­би­чес­кой  структуре (ОЦК)  кристаллизуются та­­кие ме­таллы, как ₂₃V, ₂₄Cr, ₂₆Fe, ₄₁Nb, ₇₃Ta, ₇₄W (индекс слева внизу обоз­начает но­мер элемента  в пе­ри­одической систе­ме эле­мен­­тов Д. И. Мен­делеева).

Гранецентрированная (ГЦ) ячейка (рис. 1.5, б) - содержит до­­по­­л­ни­тель­но по одному  атому  в  плоскости  каждой грани. В ГЦ ку­­бической стру­к­туре (ГЦК) кристаллизуются металлы ₁₃Al, ₂₈Ni, ₂₉Cu, ₄₇Ag, ₇₈Pt, ₇₉Au и др.

Базоцентрированная (БЦ) ячейка (рис. 1.5, в) - содержит до­­по­­­л­­­­ни­тель­но по одному атому в центрах противоположных гра­ней.

Гексагональная ячейка (рис. 1.5, г) состоит из трех примитивных ячеек, и, как и БЦ ячейка, содержит по одному атому в центре противопо­ло­­ж­ных граней, и. В гекса­го­на­­льной структуре кристаллизуются многие ме­­тал­лы - ₂₂Ti, ₂₇Co, ₃₀Zn, ₃₉Y, ₄₀Zr, ₆₄Gd, ₇₁Lu.

 Различные кристаллографические системы (рис. 1.6) отли­ча­ют­ся друг от друга формой элементарной ячейки: соотношениями меж­ду дли­на­ми ребер a, b и c и углами a, b и g между гранями.

В триклинной системе (где нет осей и плоскостей симметрии) такая ячейка представляет собой параллелепипед, все ребра и углы которого не равны между собой. В моноклинной – это наклонный параллелепипед; в ромбической (или орторомбической) – прямоугольный параллелепипед с неравными ребрами, в тетрагональной – прямоугольный параллелепипед, в основании которого лежит квадрат; в тригональной (ромбоэдрической) – прямоугольный ромбоэдр, стороны которого равны, а углы одинаковы, но отличны от 90^о и меньше, чем 120^о; в гексагональной – прямую призму, основанием которой является ромб с углами 120^о и 60^о, а три ячейки со­став­ляют шестигранную призму; в кубической системе элементарная ячейка представляет собой куб.

Электрические и магнитные свойства кристаллов разных сингоний существенно различаются.

Ха­рак­те­рис­ти­ки эле­мен­тарных ячеек различных кристаллографических систем перечислены в таблице 1.1.

 

Таблица 1.1

Кристаллографиче­ская система	Число ячеек в системе	Виды ячеек*	Характеристики элементарной ячейки
Триклинная	1	П	abc; abg
Моноклинная	2	П, БЦ	abc; a=g=90оb
Ромбическая	4	П, БЦ, ОЦ, ГЦ	abc; a=b=g=90о
Тетрагональная	2	П, ОЦ	a=bc; a=b=g=90о
Окончание табл.1
Тригональная	1	P	a=b=c; a=b=g<120o, 90o
Гексагональная	1	П	a=bc; a=b=90о, g=120o
Кубическая	3	П, ОЦ, ГЦ	a=b=c;  a=b=g=90о

* П - примитивная, БЦ - базоцентрированная, ОЦ - объемноцентрированная,

ГЦ - гранецентрированная, P - ромбоэдрическая

 

На основе первых трех типов сло­жных элементарных ячеек (ОЦ, ГЦ, БЦ) путем трансляции эле­ме­н­­та­рной ячейки на рас­сто­я­ние А, ме­нь­шее пе­ри­ода трансляции, по­­лу­ча­­ю­тся так называемые ре­­­шетки с ба­­­зи­сом. На­при­мер, кри­ста­л­ли­­­чес­­кие решет­ки ал­ма­за, Si, Ge, GaAs, ZnS  по­­­лу­чаются путем тра­н­сляции ГЦК ячей­ки на рас­сто­я­ние, рав­ное 1/4 про­­с­т­ра­н­ствен­ной ди­а­­го­на­ли (рис. 1.7, а и б). Пространственной решеткой является ГЦК решетка. Элементарная ячейка, изображенная на рис. 1.7, б, содержит четыре молекулы GaAs. Вокруг каждого атома As на разном расстоянии от него имеется четыре атома другого сорта (Ga), размещенных в углах правильного тетраэдра.

Кубическая модификация сульфида цинка ZnS - сфалерит - при нагревании выше 1300 К переходит в гексагональную модификацию - вюрцит. В структуре вюрцита кристаллизуются также такие полупроводниковые материалы, как CdS и CdSe.