Кратко и по существу — как структура кристалла и дефекты влияют на механику и электрические свойства, с примерами управления дефектами.
1) Механические свойства
- Дислокации. Определяют пластичность и прочность: движение дислокаций даёт пластическую деформацию; их взаимодействие усиливает материал (укрепление). Примерный вид закона «Тейлора»:
$\tau ={\tau }_0+\alpha Gb\sqrt{\rho }$,
где $\tau$ — касательное напряжение, ${\tau }_0$ — базовое сопротивление, $G$ — модуль сдвига, $b$ — вектор Бюргерса, $\rho$ — плотность дислокаций, $\alpha$ — константа.
- Зернограницы. Препятствуют движению дислокаций — повышение прочности при уменьшении размера зерен (закон Холла–Петча):
${\sigma }_y={\sigma }_0+k{d}^{-1/2}$,
где $d$ — средний размер зерна. Много зерен → выше прочность, но часто ниже пластичность и усталостная трещиностойкость.
- Вакансии и примеси. Увеличивают диффузию, облегчают клёмб/приход дислокаций (темповая пластичность, ползучесть), служат центрами зарождения трещин при высоких напряжениях или при низких температурах (хрупкость).
- Механизмы ползучести при высоких температурах связаны с диффузией вакансий и обменом веществ через границы зерен (скорость часто обратно пропорциональна ~$d^2$).
2) Электрические свойства
- Проводимость (общая формула):
$\sigma =nq\mu$,
где $n$ — концентрация носителей, $q$ — заряд, $\mu$ — подвижность. Дефекты влияют главным образом на $n$ и $\mu$.
- Разложение подвижности (правило Маттиесена):
${\mu }^{-1}={\mu }_{ph}^{-1}+{\mu }_{imp}^{-1}+{\mu }_{def}^{-1}$,
где вклады от фононного, примесного и дефектного рассеяния суммируются. Дефекты (вакансии, дислокации, границы) — центры рассеяния → снижение $\mu$ и, следовательно, $\sigma$.
- Полупроводники: вакансии/замещающие примеси создают донорные/акцепторные уровни (изменяют $n$), а дефекты в середине запрещённой зоны — рекомбинационные центры, сокращающие время жизни неосновных носителей (важно для солнечных элементов и светоизлучающих диодов). Границы зерен создают потенциальные барьеры, ловят носители и уменьшают ток в поликристаллических материалах.
- Примеры: монокристаллическая медь имеет выше проводимость, чем поликристалл с мелкими зернами (границы → рассеяние); в GaN/LED высокая плотность нитевидных дислокаций снижает квантовый выход излучения из‑за безызлучательной рекомбинации.
3) Методы управления дефектами (примеры и цель)
- Термическая обработка (отжиг, рекристаллизация, медленный нагрев/охлаждение): уменьшает плотность дислокаций и вакансий, увеличивает размер зерна → повышает пластичность и проводимость; обратный приёма — закалка/закаливание фиксирует дефекты.
- Термомеханическая обработка и контроль размеров зерен (катание, ковка + отжиг, severe plastic deformation): получение мелкозернистых структур для повышения прочности (увеличение $k{d}^{-1/2}$); для высокой проводимости — рост зерен/монокристаллический рост.
- Упрочнение осаджением/примесное упрочнение: вводят атомы или осадки (карбиды, нитриды), которые «прикрепляют» дислокации и повышают предел текучести (сталь с цементитом, старение алюминиевых сплавов).
- Контроль вакансий и диффузии: отжиг снижает концентрацию вакансий; закалка/быстрое охлаждение фиксирует избыток вакансий (намеренно для старения).
- Epitaxial growth, MBE, MOCVD, и буферные слои: для полупроводников минимизируют сквозные дислокации (важно для GaN, SiGe, III–V).
- Ионная имплантация + последующая рекристаллизация (anneal): вводят нужные примеси (допинг) и частично восстанавливают повреждения кристалла; управление профилем дефектов.
- Gettering и очистка (zone refining, float-zone): удаление примесей и точек зарождения дефектов → улучшение электропроводности и характеристик приборов.
- Пассивация: водородная пассивация дефектов в кремнии, формирование высококачественных оксидных интерфейсов (Si/SiO2 + формирующий газ) снижает плотность интерфейсных ловушек → увеличивает подвижность и время жизни.
- Поверхностные и индуцированные остаточные напряжения (shot peening, laser shock): создают компрессийный слой, препятствующий росту трещин → улучшение усталостной стойкости.
- Специальные приёмы для оптоэлектроники: epitaxial lateral overgrowth (ELO) для уменьшения нитевидных дефектов в GaN; квантовые ямы/суперрешётки для локализации носителей и смягчения влияния дефектов.
4) Практические примеры
- Сталь: введение C → карбиды, осадочное упрочнение и значительное повышение прочности; термическая обработка балансирует прочность/вязкость.
- Кремний для микроэлектроники: зонная рафинация + эпитаксия + формирование оксидов и H‑пассивация — низкая плотность дефектов → высокая подвижность и длительное время жизни носителей.
- GaN LED: уменьшение плотности дислокаций через буферные слои или ELO → рост светового выхода.
Краткое резюме: дефекты — двойной инструмент: нежелательные центры рассеяния/рекомбинации и источники хрупкости, но также основа многих методов упрочнения (контроль дислокаций, зерен, осадков). Управление дефектами достигается сочетанием чистки материала, термомеханической обработки, легирования, эпитаксиального роста и пассивации в зависимости от требуемых механических и электрических свойств.