Struktura nekovovch materil

defekty v nekovovch (i kovovch) materilech

Solid State Chemistry Dr. J. Feldmann

Obsah

Vakance, intersticily a Frenkelovy defekty Vpoet energie tvorby vakanc Typy rovch defekt a pouit Burgerova vektoru Rozdl mezi vnitn a vnj vodivost, kemk n- a p-

typu a donorov a akceptorov dopovn Vpoet hustoty dr a elektron v dopovanch

materilech

Defekty

Doposud byly uvaovny dokonal krystaly , tj. krystaly s dokonalm periodickm uspodnm

Vtina dobrch krystal se velmi mlo odchyluje od tto pedstavy, nap. monokrystal kemku me rst nkolik milimetr bez defekt

To vypad mlo, ale je to asi 10 milion jednotkovch bunk

Defekty jsou dleit pi vrob polovodi a uruj optick, elektronick a chemick vlastnosti

1. Vakance Vakance je neptomnost atomu (iontu) v mce.

V iontovch krystalech (nap. NaCl) se vakance vyskytuj v prech (Na + Cl) - rovnost nboj mus bt zachovna.

Vakance se tak nazv Schottkyho defekt.

Vakance umouj difuzi stic (iont, atom) krystalem:

Vakance je bodov defekt spojen s body v krystalu

Vakance Vakance nejsou energeticky vhodn poet vakanc roste s teplotou (tj. s dodvnm energie do systmu)

Pro krystal obsahujc N atom, existuje rovnovn poet vakanc, n, pi teplot T (v K) dan rovnic:

=

TkEexpNnB

V

kde EV je energie tvorby vakanc a kB je Boltzmannova konstanta. Vztah se d aplikovat na i pry vakanc.

Difuze

Podobn, difuzn koeficient, D, je dn rovnic:

=

TkEexpDDB

DO

kde ED je energie difuze a DO je difuzn konstanta specifick pro difundujc stici.

Pesn tento vztah plat pouze pro samodifuzi, to znamen pro difuzi v tuhch prvcch.

Kalen, zmrazen

Nerovnovnou koncentraci vakanc je mon zskat rychlm ochlazenm (kalenm) tuhch ltek (kov) z vysokch teplot.

Tyto defekty mohou bt pinou dodatenho odporu mrnho potu defekt:

==

TkECNCnRB

Vexp

kde C je konstanta mrnosti .

R je relativn vzrst odporu menho pi nzk teplot po kalen z teploty T.

Pouit

take:

TkECNlnRln

B

V=

y = c + mx

EV me bt zskna z grafu lnR proti (1/T)

==

TkEexpCNCnRB

V

pklad - zlato

33 1036.1109.0)84.22(73.17Gradient

=

K11100kE

B

V ==

J10536.1E 19V=

eV96.0=

2. Intersticily (intersticiln msta) V pedel pednce byly diskutovny tetraedrick a oktaedrick intersticiln polohy uvnit tsn uspodan struktury obsahujc mal atomy (ionty).

Jsou-li intersticiln atomy (ionty) stejn velikosti jako tsn uspodan atomy (ionty) dochz k znanmu naruen struktury.

Opt se jedn o bodov defekt, jeho vznik vyaduje mnoho energie.

3. Frenkelovy defekty asto se vakance a intersticil vyskytuj dohromady (atom) iont je vytlaen ze sv pozice do intersticilnho msta.

U tohoto tzv. Frenkelova defektu (bnho u slouenin, nap. v AgCl) mus bt tak zachovna nbojov rovnovha.

Frenkelovy defekty mohou bt do mky vneseny ozaovnm.

4. rov defekty - 1. chyby v ukldn h.c.p m poad ABABABA a c.c.p. m poad ABCABCA.

Chyba v ukldn nastv jestlie je poad vrstev atom jin, nap. ABCBCABCABC (A chyb) nebo ABCABACABC (A je navc)

asto se tyto chyby ne celou rovinou, nap.

Tento defekt se nazv sten dislokace

rov defekty - 2. hranov dislokace Pvodn byly navreny k vysvtlen mechanick pevnosti krystal.

Skld se z nadbyten roviny atom (iont), kter kon uvnit krystalu. Tato rovina lokln deformuje okol.

Burgerv vektor

Kdyby nebyla dislokace ptomn, potom atom A by byl na mst A

Vektor B ukazuje posun A v dsledku dislokace

B se nazv Burgerv vektor.

Pro hranov dislokace je Burgerv vektor kolm k dislokaci

Pokluz Tyto defekty vznikaj pokluzem sti atom vi ostatnm.

V ppad tsn uspodan struktury:

M-li horn vrstva poklouznout doprava na jin tsn uspodn mus projt pes nerovnovnou polohu

rov defekty - 3. roubov dislokace Zde neexistuj dn roviny navc defekt se objevuje kdy je oblast krystalu rozdlena na dv sti a pot se jedna st posune dol.

rov defekty - 4. Dvojatn Krystaly asto rostou s chybou, pi kter je jedna oblast krystalu zrcadlovm obrazem druh:

V c.p. strukturch vznikaj dvojata chybou v ukldn vrstev

ABCABCBACBA

C je rovina dvojatn

Polymorfn sloueniny (tj. sloueniny s vce ne jednou krystalovou strukturou) jsou nchyln k dvojatn, nap. YBa2Cu3Od

rovina dvojatn

4. Neistoty

Pprava istch krystal je extrmn obtn asto do struktury vstupuj ciz atomy (ionty) a nahrazuj pvodn atomy (ionty)

To me mt velk vliv (bu kodliv nebo blahodrn) na vlastnosti krystalu. Neistoty mohou bt pidvny zmrn (dopanty).

Typickm pkladem je kemk.

Kemk Kemk je prvkem IV skupiny a stejn jako uhlk se ve ke tyem atomm v neblim okol:

Pi zven teplot se vazby poru a vznik (positivn) mezera znm jako dra - a vodiv elektron.

T

Toto se nazv vnitn defekt v polovodich

Dopovan kemk Nahradme-li kemk prvkem V skupiny (nap. As) uvoln se voln elektron a nevznikne pozitivn dra:

Tento proces je znm jako dopovn. Arsen funguje jako donor elektron si a zvyuje jeho elektronovou vodivost

Si dopovan As je vnitn polovodi a protoe elektron m negativn nboj jedn se o polovodi n-typu

Dopovan kemk Nahradme-li kemk prvkem III skupiny (nap. B) vznikne pozitivn dra a neuvoln se voln elektron:

Bor psob na Si jako akceptor elektron.

Dry se mohou pohybovat difuz skokovm mechanismem.

Opt se jedn o vnitn polovodi a protoe dra je pozitivn jedn se o polovodi p-typu

Zobrazen energetickch ps

erven=obsazen energetick stavy, svtle modr =przdn, bl = zakzan (energetick mezera)

rkovan zelen = donorov stavy, rkovan modr = akceptorov stavy

Spodn ps = valenn ps, horn ps = vodivostn ps.

poznmka: Energetick mezera je velk (>3eV) v izoltorech, men (~1eV) v polovodich

Shrnut

Defekty v krystalech Bodov defekty Linern defekty Planrn defekty: povrchy a hranice zrn Objemov defekty: precipitty a inkluze

Shrnut

Pro jsou defekty dleit? defekty ve velmi malch koncentracch mohou

dramaticky mnit vlastnosti materil. bez defekt:

neexistovala by elektronick polovodiov zazen kovy by byly pevnj keramika by byla mnohem houevnatj krystaly by nebyly barevn

Snmek slo 1ObsahDefekty1. VakanceVakanceDifuzeKalen, zmrazenPouitpklad - zlato2. Intersticily (intersticiln msta)3. Frenkelovy defekty4. rov defekty - 1. chyby v ukldnrov defekty - 2. hranov dislokaceBurgerv vektorPokluzrov defekty - 3. roubov dislokacerov defekty - 4. DvojatnSnmek slo 184. NeistotyKemkDopovan kemkDopovan kemkZobrazen energetickch psShrnutShrnut