1.5. Структурозависимые свойства

Итак, дефекты искажают структуру кристалла. Они могут влиять или не влиять на его свойства. В этом случае необходимо выделить два класса свойств: структурозависимые и структуронезависимые. По определению, ко второй группе можно отнести плотность, теплоемкость и некоторые другие свойства. Необходимо отметить, что влияние дефектов и в этом случае есть, но оно невелико. Так, наличие вакансий или пустот снижает плотность тела, но пока тело можно считать кристаллом данной структуры, этими изменениями можно пренебречь.

Структурозависимые свойства зависят от наличия, типа и плотности дефектов. Таких свойств гораздо больше: электропроводность, теплопроводность, механическая прочность и т. д. Здесь мы рассмотрим некоторые из них.

Электрофизические свойства. Мы знаем, что удельная электропроводность тела зависит от концентрации n и подвижности μ носителей

где е – элементарный заряд.

Очевидно, что электропроводностью обладают проводники (металлы) и полупроводники.

В случае проводников картина довольно проста: концентрация носителей заряда для них практически постоянна и от дефектности кристалла почти не зависит. Однако наличие и концентрация дефектов сильно влияют на подвижность носителей, поскольку электроны рассеиваются на дефектах. Длина свободного пробега сокращается, уменьшаются подвижность носителей и удельная электропроводность.

Для полупроводников картина более сложна. Подвижность, как и в первом случае, с ростом дефектности падает, и, если дефекты не влияют на концентрацию носителей, электропроводность тоже уменьшается.

Однако если дефекты играют роль доноров или акцепторов, то концентрация носителей резко возрастает и электропроводность также резко увеличивается (п. 5.3).

Наличие дислокаций также существенно сказывается на электрических характеристиках полупроводника: они могут являться источником большого числа носителей заряда, а также центрами генерации и рекомбинации.

29

Поверхность полупроводника (как двухмерный дефект) может существенно влиять на электрические свойства приповерхностного слоя. Здесь может изменяться концентрация носителей (п. 8.3), и соответственно изменится электропроводность.

Оптические характеристики будем рассматривать, естественно, лишь для твердых тел, прозрачных для электромагнитного излучения светового диапазона. Это, в первую очередь, ионные кристаллы. Кроме того, полупроводники являются прозрачными в длинноволновой области спектра. Проводники, вследствие большой концентрации заряженных частиц, непрозрачны.

Известно, что в отсутствие дефектов ионные кристаллы прозрачны. Поглощение света наблюдается лишь в инфракрасной области спектра и обусловлено колебаниями ионов в целом под действием падающей

электромагнитной волны (света). Это поглощение происходит при частоте 1013 Гц и менее.

Дефекты, находящиеся в таких кристаллах, выступают как центры поглощения. Коэффициент поглощения в дефектных кристаллах возрастает с повышением концентрации дефектов. Такое поглощение имеет полосатый спектр, т.е. происходит в определенном диапазоне частот. Некоторые полосы поглощения обусловлены наличием вакансий в кристалле. Если вакансии захватывают электроны или дырки, они приобретают способность поглощать свет и называются центрами окраски. В этом случае прозрачный кристалл приобретает окрашенность.

Центры окраски также возникают в результате наличия примесных дефектов. Так, присутствие ионов металлов приводит к окрашиванию кристаллов корунда (Al2O3). Ионы Cr3+, введенные в корунд, превращают его в рубин. Добавки других ионов (Fe, Cu, Ti) приводят к окрашиванию кристаллов в другие цвета.

Центры окраски могут быть созданы в кристаллах путем облучения их рентгеновскими лучами или ядерными частицами.

В полупроводниках наблюдается примесное поглощение. Фотон перебрасывает электрон с уровня примеси в зону проводимости, передавая ему энергию и импульс, что приводит к повышению концентрации носителей (п. 6.3).

Механические свойства кристаллов также зависят от наличия и концентрации дефектов. Как уже отмечалось, расчетные свойства идеальных кристаллов высоки и снижаются при наличии дефектов струк-

30

туры. Отношение расчетной механической прочности к реальной для меди – 50, железа – 7, стекла – 100 и каменной соли – 800. Приведенные цифры показывают степень влияния дефектов структуры кристалла на его свойства.

В настоящее время принято считать, что такое различие свойств объясняется существованием, в первую очередь, микротрещин, снижающих прочность твердого тела. Трещины могут возникать под воздействием механической обработки, при слиянии большого числа вакансий, дислокаций и т.д.

Возможно и обратное. Известно, что знакопеременная деформация кристаллов магния может привести к росту критического напряжения примерно в 25 раз. Еще более сильное упрочнение испытывают кристаллы кубической системы – алюминий, медь и др. Этот процесс получил название наклепа и объясняется созданием при наклепе тормозящих сдвиг дефектов – дислокаций. К методам упрочнения твердых тел относится и закалка. Процессы, сопровождающие закалку, сложны и многофакторны, однако физическая суть закалки заключается в образовании дефектов при высокой температуре и замораживании их в кристалле при резком охлаждении.

Управление структурой твердых тел является очень важной задачей.

1.6. Жидкие кристаллы

Этот раздел несколько выпадает из контекста данной главы, поскольку рассматриваемые здесь объекты не являются твердыми телами. Однако, как видно из названия раздела, они все-таки относятся к кристаллам.

Некоторые вещества при повышении температуры переходят из твердого состояния в жидкое не сразу, а через состояние, в котором их структура является промежуточной между структурой кристалла и жидкости.

Жидкие кристаллы (ЖК) могут образовать только вещества с длинными жесткими молекулами, т.е. это не атомные, а молекулярные кристаллы. Например, небольшие органические молекулы на рис. 1.10, которые всегда стремятся расположиться вдоль одного направления, т. е. упорядоченно.

31

Рис. 1.10. Молекула жидкого кристалла: R, R’– короткие, частично гибкие связи;

A – B – двойная или тройная связь

С ростом температуры эта упорядоченность убывает и в конце концов исчезает. Диапазон температур, в пределах которого существует ЖК–фаза, составляет всего несколько градусов.

Необходимо отметить, что хотя дальний порядок симметрии в ЖК отсутствует, они имеют анизотропию оптических, электрических, магнитных и других свойств (рис. 1.11, а). Например, разность показателей преломления для света, поляризованного параллельно и перпендикулярно ориентации молекул, составляет обычно ~ 0,2.

1

Рис. 1.11. Структура жидких кристаллов: a – нематическая фаза; б – холестерическая фаза; в – смектическая фаза; 1 – молекула ЖК;

2 – молекула-спираль (вращение перпендикулярно плоскости чертежа)

Описанная ЖК фаза называется нематической. Кроме нематической различают еще холестерическую и смектическую фазы. В холестерической фазе молекулы представляют собой не ровные, а слегка закрученные стержни (рис. 1.11, б). Структура холестерического ЖК периодична по спирали, что приводит к брэгговскому отражению света на длине волны, равной шагу спирали, деленному на показатель преломления. Этот ЖК также поворачивает плоскость поляризации света, распространяющегося вдоль оси спирали на угол, зависящий от толщи-

32