Кратко — точечные дефекты (вакансии, донорно/акцепторные примеси, интерстициальы) влияют на кристалл как структурно (местная деформация, изменение параметров решётки, образование комплексов/кластеров), так и электронно/ионно (появление локализованных уровней, изменение числа носителей, активизация ионной проводимости). Ниже — основные механизмы и практические следствия с примерами.

Механизмы (с формулами)

Концентрация вакансий/имплантированных примесей (в равновесии):
[
c_v \approx N \exp!\left(-\frac{E_f}{k_B T}\right)
]
где (E_f) — энергия образования дефекта, (N) — число возможных позиций.Локальная деформация / изменение параметра решётки (упрощённо, закон Вегаарда):
[
\Delta a \propto c
]
где (c) — доля примеси/вакансий.Введение донорных/акцепторных уровней в запрещённую зону, сдвиг уровня Ферми и изменение концентрации носителей:
[
n \approx N_C \exp!\left(-\frac{E_C-E_F}{k_B T}\right),\qquad p \approx N_V \exp!\left(-\frac{E_F-E_V}{k_B T}\right)
]Электропроводность (электронная/ионная):
[
\sigma = q n \mu \quad\text{(электрическая)},\qquad
\sigma_{ion} = q cv \mu{ion}
]Активированная диффузия через вакансии:
[
D = D_0 \exp!\left(-\frac{E_m}{k_B T}\right)
]
где (E_m) — энергия миграции.Траппинг/рекомбинация носителей: дефекты создают глубокие ловушки и центры рекомбинации, ухудшают время жизни и квантовую эффективность.

Практические следствия и примеры

Электроника

Целенаправленное донорное/акцепторное легирование (Si:P, Si:B) управляет проводимостью и уровнем Ферми (основы полупроводниковых приборов). Пример: концентрация задаёт сопротивление слоя, пороговое напряжение транзистора.Вакансии/глубокие уровни в окислах и на интерфейсах (SiO2/Si) создают ловушки, смещают порог MOSFET, увеличивают шум и ток утечки; приводят к деградации при стрессах (NBTI, HCI).Оксидные вакансии в TiO2, SrTiO3 и др. дают n‑типную проводимость, изменяют поглощение света (цветовые центры), в SrTiO3 вакансиями можно индуцировать сверхпроводимость при низких температурах и изменять электро‑оптические свойства.F‑центры (электрон в вакансии аниона, например в NaCl) дают оптические поглощения и влияют на электрические свойства.

Каталитические и ионо-проводящие материалы

Оксигенные вакансии в переходных оксидах (CeO2−x, TiO2, perovskites) — активные центры для адсорбции/активации O2, CO, H2O; ключ для реакций окисления/редукции. Пример: церия (CeO2) — кислородный буфер в каталитических нейтрализаторах; вакансия обеспечивает обратимое восстановление/окисление Ce4+/Ce3+.Дозирование для создания вакансий: Y‑стабилизированная циркония (YSZ, ZrO2:Y3+) формирует кислородные вакансии, обеспечивая высокую ионную проводимость в топливных элементах (SOFC).Вакансии на поверхностях понижают барьеры активации реакций: увеличивается скорость адсорбции и диссоциации молекул (CO, O2, H2), что улучшает каталитическую активность и селективность.Кластеры дефектов/сегрегация примесей могут менять фазовую устойчивость — пример: стабилизация перовскитных фаз или образования металлических нанокластеров на поверхности при восстановлении.

Негативные эффекты/компромиссы

Увеличение рассеяния на дефектах снижает подвижность ((\mu)), даже если (n) растёт, итоговая (\sigma) может не улучшаться.Перемещение/кластеризация дефектов при эксплуатации приводит к деградации свойств (т.н. "aging", миграция вакансий под полем).Глубокие ловушки снижают КПД оптоэлектронных устройств и ускоряют рекомбинацию.

Короткие примеры

Si с P: повышается (n), снижается сопротивление, Fermi сдвигается к зоне проводимости — базовая схема для диодов/транзисторов.CeO2−x: рост концентрации вакансий повышает каталитическую активность в CO окислении и улучшает перенос кислорода.YSZ: (Y^{3+}) → создание (V_O^{\bullet\bullet}) (кислородных вакансий) → высокая ионная проводимость в 700–1000 °C (SOFC).

Вывод (в одну фразу)
Точечные дефекты управляют механическими, электронными и ионными свойствами материала через изменение локальной геометрии, ввод энергетических уровней в ЗЗ и изменение подвижности/концентрации носителей; это даёт как полезные эффекты (легирование, ионная проводимость, каталитическая активность), так и вредные (ловушки, деградация, увеличение рассеяния) в зависимости от типа и концентрации дефектов.