Дефекты в кристаллах

Химические  методы

Они основаны на том, что  при диффузии примеси, в результате ее взаимодействия с основным материалом образуется новые химические соединения с отличными от основных свойств решетки.

Методы p-n перехода

За счет диффузии примеси  в полупроводниках на какой-то глубине  полупроводника образуется область, в  которой меняется тип его проводимости. Далее определяют глубину залегания p-n перехода и по ней судят о концентрации примесей на этой глубине. И далее делают по аналогии с 1-ым и 2-ым случаем.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                         3. Выявление дефектов

                В последнее время рост потребности в кристаллах с повышенным структурным совершенством для промышленных целей    способствовал модификации и разработке множества методов выявления дефектов в кристаллах.  Преимущества и недостатки известных на сегодняшний день методик,  которые обычно используются для изучения дефектов. Среди перечисленных методов микроскопического исследования поверхности кристаллов наиболее широко применяется избирательное травление поверхности благодаря надежности, быстроте и простоте.

                     

 

                      Физико - химические основы травления

                 Для выявления дислокационной природы кристаллов в настоящее время широко используется избирательное травление их поверхности.  Травление как избирательное растворение поверхности кристаллов с целью выявления симметрии,  а иногда и химического состава этой поверхности впервые, предположительно, было использовано Даниэлем в 1816  г [4].                      

              Впоследствии,  этот метод стал широко использоваться физиками    и минералогами как инструмент,  позволявший решать спорные вопросы в симметрии кристаллов. После открытия рентгеновских лучей он отступил на задний план до тех пор,  пока    в середине прошлого века не была показана связь распределения ямок травления по поверхности с дефектностью структуры кристаллов. С 1953 г.  травление стало методом изучения совершенства структуры.  В основе такого подхода лежит связь между ямками травления и выходами на эту поверхность дефектов – винтовых и краевых дислокаций, точечных дефектов, границ зерен в моно-  и поликристаллах.  Поскольку в области дефектов ионы, атомы или молекулы обладают повышенной химической активность, то в этих местах в первую очередь и начинается растворение на поверхности кристалла [5].  Существует три определенных периода развития этого метода. Начальный период,  охватывающий 12  лет (1950-1961  гг.),  характеризуется лавинообразным ростом числа публикаций: от одной статьи в 1950 г. до 109 статей в 1961 г. за этот период травления оформился как инструмент описания структурных дефектов,  что стимулировало развитие и усовершенствование методов выращивания,  и к пониманию поведения дислокаций в пластически деформированных материалах.  Именно в этот период приложено максимум усилий,  чтобы поставить процесс травления на научную основу.               

             Следующий, относительно короткий период с 1962 по 1967 гг. наблюдается небольшой спад в развитии, потому что метод травления как инструмент описания дефектов достиг совершенства. Последний период (1968-1984  гг.)  характеризуется четырехкратным числом публикаций,  что связано главным образом с использованием метода травления для обнаружения ядерных треков и в технологии приборов [3].  С помощью подходящих травителей можно выявить дислокационную структуру в кристаллах,  определить положение двойниковых границ,  определить реальную симметрию кристаллов, которую можно выявить по фигурам растворения (травления). C  помощью травления можно повысить прочность материалов,  растворяя нарушенные слои поверхности.  Так же травление широко используется при обработке искусственных стекол для матирования и придания им необходимой формы,  создания на их поверхности орнаментов.  Таким образом,  области применения травления обширны и разнообразны.  Именно поэтому разработка методов и изучение материалов для химического травления поверхностей занимают немаловажное место в такой области знаний как материаловедение.  С кинематической точки зрения ямки травления образуются в том случае,  если нормальная  (перпендикулярная к поверхности)  скорость растворения Vн выше тангенциальной  (параллельной поверхности)  Vт  (рис. 8  а).  Наклон стенки ямки травления –  есть ни что иное,  как тангенс угла наклона. Если скорости примерно равны,  то происходит относительно равномерное растворение поверхности кристалла, и ямки травления не образуются.  При соотношении Vн<<Vт атомарные слои удаляются один за другим и на микроскопическом уровне образуется гладкая поверхность.  Этот процесс получил название химического полирования.  Так как обе компоненты скорости могут изменяться в известных пределах, в ряде случаев становится возможным подобрать травящее воздействие соответственно желаемой цели, т.е. с одной стороны, путем добавления одной примеси обеспечить селективное травление на дислокациях с образованием ямок травления при оптимальном соотношении  Vт/Vн,  а с другой –  путем удаления этих примесей создать полирующий эффект.  Так,  например,  для химического полирования Al2O3 применяется концентрированная кипящая серная кислота. При полировке же монокристаллов рутила (TiO2) или стронциевого титаната (SrTiO3) используются расплавленные щелочи (KOH, NaOH) и т.д.  Нормальная скорость растворения является функцией поверхностной энергии и устанавливается для определенного кристалла с ненарушенной поверхностью.  Однако при наличии дислокаций Vн увеличивается.  Подобрав подходящие22 ингибиторы  (иногда в литературе можно встретить слово  «яды»),  можно снизить Vт,  что приводит к образованию ямок травления.  По сути ингибитор –  это ни что иное как примесь,  которая в рассматриваемом случае подбирается таким образом.

                  Фигура травления на гранях кристалла с целью выявления дислокаций можно получить путем подбора соответствующего растворителя  (травителя),  который обеспечивал бы подходящее соотношение нормальной и тангенциальной скоростей растворения обрабатываемой поверхности.  Чем меньше соотношение Vт/Vн,  тем больше выбранный травитель подходит для выявления дефектности структуры.  Уменьшения отношения нормальной и тангенциальной скоростей растворения можно добиться тремя способами:  применение ингибитора для уменьшения Vт,  увеличения Vн посредством высвобождения энергии ядра дислокации или с помощью примесей и,  наконец,  использование температурных зависимостей скоростей растворения.   Травитель должен удовлетворять ряду требований.  В первую очередь,  он должен незначительно растворять кристалл (0,07–0,02  г на 100 см 3).  Например,  иттрий – алюминиевые гранаты травят в разбавленной ортофосфорной кислоте H3PO4, а основой для травления хлорида натрия NaCl служит вода. К растворителю необходимо добавить некоторое количество хорошо растворяющегося в нем активатора.  При этом катион добавки к травителю желательно иметь близким к радиусу катиона кристалла.  Ингибитор,  адсорбируясь на поверхности растворяющегося кристалла,  оседает на ступеньках растворения,  экранируя (блокируя)  их,  и тем самым замедляет дальнейшее продвижение ступеньки вдоль поверхности.  Подбирая концентрацию активатора,  можно обеспечить оптимальное соотношение нормальной и тангенциальной скоростей растворения кристалла.

            Помимо травления на дислокациях,  используются термическое,  ионное (травление посредством ионной бомбардировки)  травление,  сквозная коррозия (каналообразование), а так же химическое полирование.

 

 

Список использованных источников

 

1. Киттель Ч. Введение  в физику твердого тела./ Пер.  с англ.; Под ред. А. А. Гусева. – М.: Наука, 1978.

2. Епифанов Г.И. Физика  твердого тела: Учеб. пособие для  втузов. – М.: Высш. школ, 1977.

3. Жданов Г.С., Хунджуа  Ф.Г., Лекции по физике твердого  тела – М: Изд-во МГУ, 1988.

4. Бушманов Б. Н., Хромов  Ю. А. Физика твердого тела: Учеб. пособие для втузов. – М.: Высш. школ, 1971.

5. Кацнельсон А.А. Введение  в физику твердого тела –  М: Изд-во МГУ, 1984.

6.  Козлова О.  Г.  «Рост и морфология кристаллов»,  Изд-во Московского

Университета, 1972, 304 с.

7.  Урусов В.С.,  Таусон  В.Л.,  Акимов В.В. «Геохимия твердого тела»,  М.:  Изд-во

ГЕОС,1997.

8. Сангвал К. «Травление  кристаллов», М.: Мир, 1990, 500 с. 

9. Хейман Р.Б. «Растворение  кристаллов», Л.: Недра, 1979, 272 с