Дефект по Шоттки
Дефе́кт по Шо́ттки — вакансия атома (иона) в кристаллической решётке, один из видов точечных дефектов в кристаллах, от дефекта по Френкелю отличается тем, что его образование не сопровождается возникновением междоузельного атома (иона)[1][2]. Назван по имени В. Шоттки, впервые рассмотревшего дефекты этого сорта[3].
При нагреве кристаллов образование дефектов может происходить из-за того, что отдельные атомы, располагающиеся вблизи поверхности, в результате теплового движения выходят из объёма на поверхность, а образовавшаяся при этом вакансия затем мигрирует вглубь кристалла. Поскольку образование дефектов Шоттки увеличивает объём кристалла, то, соответственно, плотность кристалла при этом падает.
Средняя энергия атома в кристалле меньше той, что требуется ему для преодоления потенциального барьера и ухода из равновесного положения. Однако из-за теплового движения всегда имеется некоторое количество атомов с энергией, достаточной для того, чтобы покинуть занимаемые ими узлы решётки. Иначе говоря, на образование дефектов Шоттки затрачивается энергия, и происходит увеличение внутренней энергии кристалла [math]\displaystyle{ U }[/math]. С другой стороны, образование дефектов означает, что происходит разупорядочение расположения атомов и, следовательно, увеличение энтропии кристалла [math]\displaystyle{ S }[/math]. В результате получается, что при данной температуре [math]\displaystyle{ T }[/math] минимум свободной энергии
- [math]\displaystyle{ F=U-TS }[/math]
достигается при некоторой конечной концентрации дефектов.
Количество дефектов по Шоттки [math]\displaystyle{ n }[/math], соответствующее температуре кристалла [math]\displaystyle{ T }[/math], можно оценить с помощью формулы[4]
- [math]\displaystyle{ n \approx N \exp(-\Delta E/kT), }[/math]
где [math]\displaystyle{ N }[/math] — число узлов в кристалле, [math]\displaystyle{ \Delta E }[/math] — энергия, необходимая для удаления одного иона из узла кристаллической решётки, а [math]\displaystyle{ k }[/math] — постоянная Больцмана.
Расчёт показывает[2], что, например, для меди, где энергия образования дефекта Шоттки меди равна 1 эВ, относительная концентрация вакансий [math]\displaystyle{ n/N }[/math] при температуре 1000 К составляет ~10-5.
Дефекты по Шоттки обычно преобладают над дефектами по Френкелю в плотноупакованных кристаллах, где образование междоузельных атомов затруднено и требует относительно большой энергии. В частности, они доминируют в чистых щёлочно-галоидных кристаллах. В этих, так же, как и в других ионных кристаллах, электронейтральность обеспечивается тем, что дефекты образуются парами: вместе с вакансией иона с данным знаком заряда возникает и вакансия иона с зарядом противоположного знака[4].
Дефекты по Шоттки могут оказывать существенное влияние на многие свойства кристаллов и физические процессы в них (плотность, ионная проводимость, оптические свойства, внутреннее трение и т.д.). Так, анионные вакансии, захватившие электрон, формируют центры окраски, селективно поглощающие оптическое излучение в видимой области спектра и тем самым изменяющие окраску кристаллов.
См. также
Примечания
- ↑ Мейерович А. Э. Вакансия // Физическая энциклопедия / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Советская энциклопедия, 1988. — Т. 1 Ааронова—Бома эффект — Длинные линии. — С. 235. — 704 с. — 100 000 экз.
- ↑ Перейти обратно: 2,0 2,1 Павлов П. В., Хохлов А. Ф. Физика твердого тела. — М.: Высшая школа, 2000. — 494 с. — ISBN 5-06-003770-3.
- ↑ Биография В. Шоттки (англ.)
- ↑ Перейти обратно: 4,0 4,1 Киттель Ч. Введение в физику твердого тела. — М.: Наука, 1978. — 792 с.