КРИСТАЛЛИЧЕСКАЯ АНИЗОТРОПИЯ

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 2 июля 2021 года; проверки требуют 2 правки.

Анизотропи́я (от др.-греч.  — неравный и  — направление) — различие свойств среды (например, физических: упругости, электропроводности, теплопроводности, показателя преломления, скорости звука или света и др.) в различных направлениях внутри этой среды; в противоположность изотропии.

В отношении одних свойств среда может быть изотропна, а в отношении других — анизотропна; степень анизотропии также может различаться.

Частный случай анизотропии — ортотропия (от др.-греч.  — прямой и  — направление) —
неодинаковость свойств среды по взаимно перпендикулярным направлениям.

В различных
плоскостях кристаллической решетки
атомы рас­положены с различной
плотностью и поэтому многие свойства
кристаллов в различных направлениях
различны. Такое различие называется
анизотропией.

Все кристаллы анизотропны.
В отличие от кристаллов аморф­ные
тела (например, смола) в различных
направлениях имеют в основном одинаковую
плотность атомов и, следовательно,
одина­ковые свойства, т. е. они изотропны.

Всем кристаллам присуща анизотропия,
т.е. неравномерность свойств по
направлениям, определяемая различными
рассто­яниями между атомами в
кристаллической ячейке. Наиболее сильно
анизотропия выражена у металлов, имеющих
асимметричное кри­сталлическое
строение. От направления действия сил
в кристалле существенно зависят такие
показатели физических свойств, как
прочностные характеристики, модуль
упругости, термический коэффициент
расширения, коэффициенты тепло- и
электропровод­ности, показатель
светового преломления и др. Анизотропия
характерна и для поверхностных слоев
кристаллов. Такие свой­ства, как
поверхностное натяжение, электронные
потенциалы, адсорбционная способность,
химическая активность, существенно
различны у различных граней кристалла.

Анизотропия – это зависимость свойств материала от направления. Материал считается изотропным, когда его свойства во всех направлениях одинаковые. Если же с изменением направления свойства материала изменяются, материал считается анизотропным.

Анизотропия характерна для кристаллов и обусловлена их упорядоченной структурой. В кристаллах в различных направлениях атомы располагаются с различной плотностью, т.е. на различном расстоянии друг от друга, что отражается на силе взаимодействия атомов. Как следствие, свойства кристаллов в различных направлениях оказываются различными. Например, в кубическом кристалле в направлении координатных осей атомы вещества располагаются на расстоянии друг от друга равном а (рис.1). В направлении диагонали атомы располагаются на расстоянии а

, а в направлении пространственной диагонали – а

. Очевидно, такой кристалл легче разорвать в направлении пространственной диагонали, чем в направлении координатных осей, где он обнаруживает наибольшую прочность из-за того, что атомы расположены ближе и сильнее взаимодействуют.

Анизотропия распространяется практически на все свойства кристаллов. Так, кристалл в одном направлении лучше, чем в другом может проводить тепло, электрический ток, свет, лучше намагничиваться и т.д. При этом, чем ниже система симметрии кристалла, тем сильнее проявляется анизотропия его свойств.

В аморфных материалах, из-за хаотического внутреннего строения, атомы в различных направлениях располагаются примерно с одинаковой плотностью. В результате свойства данных материалов в различных направлениях оказываются одинаковыми, т.е. вещество оказывается изотропным.

Металлы и сплавы, полученные в обычных условиях, также очень часто обнаруживают равенство свойств в различных направлениях, хотя и являются материалами кристаллическими, а не аморфными. Это объясняется их зернистым строением. Зёрна данных материалов, будучи кристаллами, в различных направлениях обнаруживают различные свойства, однако в целом материал оказывается изотропным, поскольку зёрна случайным образом ориентированы в пространстве и при сложении свойств в каждом направлении получается примерно одна, усреднённая величина. Такую изотропию называют ложной изотропией или квазиизотропией.

Иногда зёрна поликристаллических материалов оказываются ориентированными преимущественно в одном направлении. Например, зёрна металлов и сплавов при пластическом деформировании вытягиваются в направлении деформации. Такое явление называют текстурой. При появлении текстуры свойства кристаллических материалов вновь начинают зависеть от направления, т.е. материал оказывается анизотропным.

Анизотропия – это зависимость свойств материала от направления. Материал считается изотропным, когда его свойства во всех направлениях одинаковые. Если же с изменением направления свойства материала изменяются, материал считается анизотропным.

Металлы —
кристаллические тела, атомы которых
располага¬ются в геометрически правильном
порядке, образуя кристаллы, в отличие
от аморфных тел (например, смола), атомы
которых находятся в беспорядочном
состоянии. Металлические и большинство
не¬металлических твердых материалов
имеют кристаллическое строение.
Характер¬ными признаками кристаллических
тел являются способность сохранять
свою форму и оставаться твердыми при
нагреве вплоть до критической температуры,
при которой они дискретно переходят в
жидкое состояние. Переход кристаллических
тел из твердого в жидкое состояние и
на¬оборот совершается изотермически,
т. е. при определенной температуре,
называ¬емой температурой плавления.

Располагаясь в
металлах в строгом порядке, атомы в
плоскости образуют атомную сетку, а в
пространстве — атомно-кристаллическую
решетку. Линии на этих схемах являются
услов¬ными; в действительности никаких
линий не существует, а атомы колеблются
возле точек равновесия, т. е. узлов
решетки с большой частотой. Элементарные
ячейки таких кристаллических решеток
приве¬дены на рис. 1. Все кристаллические
тела образуют семь разновидностей
кристаллических решеток, из которых
для металлов наиболее характерны
объемно-центрированная кубическая
(ОЦК), гранецентрированная кубическая
(ГЦК) и гексагональная плотноупакованная
(ГПУ) (рис. 1)

В ячейке кубической
объемно-центрированной решетки атомы
расположены в вершинах куба и в центре
куба; такую решетку имеют хром, ванадий,
вольфрам, молибден и др. В ячейке
кубической гранецентрированной решетки
атомы расположены в вер¬шинах и в центре
каждой грани куба; такую решетку имеют
алю¬миний, никель, медь, свинец и др. В
ячейке гексагональной решетки атомы
расположены в вершинах шестиугольных
оснований призмы, в центре этих оснований
и внутри призмы; гексагональную решетку
имеют магний, титан, цинк и др. В реальном
металле кристалли¬ческая решетка
состоит из огромного количества ячеек.

Размеры кристаллической
решетки характеризуются ее пара¬метрами,
измеряемыми в ангстремах — А (1А = 10 -8 см
или lA = 0,1 Нм). Параметр кубической решетки
характеризуется дли¬ной ребра куба,
обозначается буквой а и находится в
пределах 0,28—0,6 Нм (2,8 — 6А). Для характеристики
гексагональной решетки принимают два
параметра — сторону шестигранника а и
высоту призмы с. Когда отношение с/а —
1,633, то атомы упако¬ваны наиболее плотно,
и поэтому такая решетка называется
гекса¬гональной плотноупакованной.

В различных
плоскостях кристаллической решетки
атомы рас¬положены с различной плотностью
и поэтому многие свойства кристаллов
в различных направлениях различны.
Такое различие называется анизотропией.

Все кристаллы
анизотропны. В отличие от кристаллов
аморф¬ные тела (например, смола) в
различных направлениях имеют в основном
одинаковую плотность атомов и,
следовательно, одина¬ковые свойства,
т. е. они изотропны.

Всем кристаллам
присуща анизотропия, т. е. неравномерность
свойств по направлениям, определяемая
различными рассто¬яниями между атомами
в кристаллической ячейке. Наиболее
сильно анизотропия выражена у металлов,
имеющих асимметричное кри¬сталлическое
строение. От направления действия сил
в кристалле существенно зависят такие
показатели физических свойств, как
прочностные характеристики, модуль
упругости, термический коэффициент
расширения, коэффициенты тепло- и
электропровод¬ности, показатель
светового преломления и др. Анизотропия
характерна и для поверхностных слоев
кристаллов. Такие свой¬ства, как
поверхностное натяжение, электронные
потенциалы, адсорбционная способность,
химическая активность существенно
различаются у различных граней кристалла.

Физические свойства твердого тела можно разделить на две категории: одна из них включает такие свойства, как плотность, удельная теплоемкость, которые не связаны с выбором какого-либо направления внутри твердого тела, свойства же другой категории (механические модули, термический коэффициент расширения, коэффициент теплопроводности, удельное сопротивление, показатель преломления и др.) могут быть различными для разных направлений в твердом теле.

Изотропностью называется независимость физических свойств тела от направления внутри него. Если такие физические свойства тела, как модуль упругости, коэффициент теплопроводности, показатель преломления и т. п., одинаковы по всем направлениям, то такое тело будет изотропным.

Под анизотропией понимается зависимость свойств макроскопически однородного тела от направления. Изотропными являются аморфные тела, жидкости и газы. Анизотропия же является характерной особенностью кристаллов. Но обнаружить анизотропность можно не у всяких кристаллических тел, а только у монокристаллов. Большинство окружающих нас кристаллических тел, например, металлы, являются поликристаллическими, т. е. они состоят из очень большого числа сросшихся друг с другом мелких кристаллических зерен, ориентированных различным образом. Если в ориентации этих мелких кристалликов нет какого-либо определенного порядка, то данное поликристаллическое тело будет изотропно. Если же в ориентации кристаллических зерен наблюдается упорядоченность (а она может возникнуть при таких методах обработки металлов, как прокатка, протяжка, волочение), то материал называется текстурированным и обнаруживает некоторую анизотропность.

В обычных поликристаллических металлах кристаллические зерна настолько малы, что, как правило, различимы лишь при наблюдении в микроскоп. Но при медленном охлаждении расплава металла можно получить крупнозернистый слиток, в котором кристаллические зерна легко рассмотреть невооруженным глазом. Если же применить особую методику охлаждения расплава металла, то можно получить такие образцы, в которых будет находиться всего одно кристаллическое зерно – один кристалл. Такие однокристальные образцы называются монокристаллами.

В природе встречаются довольно большие монокристаллы минералов, а иногда и металлов (самородки золота). Можно получить монокристаллы многих веществ (в том числе и металлов) искусственно. Для этого приходится соблюдать иногда очень тонкую и достаточно сложную технологию.

Наглядным примером анизотропии механической прочности кристалла является способность кристаллов слюды легко расщепляться на тонкие листочки по определенному направлению и обладать достаточной прочностью в перпендикулярном направлении. Монокристаллы некоторых металлов (цинка, висмута, сурьмы) тоже довольно легко скалываются по определенным плоскостям. Плоскость скола при этом представляет собой хорошее зеркало.

Исследования показали, что кристаллы могут обладать анизотропией теплопроводности, электропроводности, магнитных свойств и пр.

Анизотропия проявляется и в поверхностных свойствах кристаллов. Например, коэффициент поверхностного натяжения для разнородных граней кристалла имеет различную величину. При росте кристалла из расплава или раствора это является причиной различия скоростей роста разных граней.

Анизотропия скоростей роста обусловливает правильную форму растущего кристалла. Анизотропия поверхностных свойств проявляется в различии скоростей растворения разных граней кристалла, адсорбционной способности, химической активности разных граней одного и того же кристалла.

Причина анизотропии состоит в том, что кристаллы имеют строго упорядоченное строение. Важнейшим следствием упорядоченной структуры является анизотропия физических свойств кристалла.

Поясним сказанное. На рисунке 2.9 изображена схема расположения атомов в кристалле. Плоскость рисунка совпадает с одной из плоскостей, проходящей через узлы кристаллической решетки. Можно сказать, что кристалл представляет собой пачку таких плоскостей, лежащих как листы бумаги в книге.

Если произвести сечение такого кристалла плоскостями, перпендикулярными плоскости чертежа, то в зависимости от ориентации плоскостей сечения густота расположения атомов на них будет различной. На рисунке 2.9 направления секущих плоскостей изображены сплошными линиями. Из рисунка хорошо видно, что плотность «населения» плоскостей атомами различна; если расположить эти плоскости в порядке убывания поверхностной плотности атомов, то получится следующий ряд:

(010) (100) (110) (120) (320).

Вместе с тем, видно, что расстояния между смежными секущими плоскостями тем больше, чем плотнее «населенность» их атомами. Легко представить себе, что в наиболее плотно заполненных плоскостях атомы прочнее связаны друг с другом, так как расстояния между ними меньше.

С другой стороны, наиболее плотно заполненные плоскости, будучи удаленными друг от друга на относительно большие расстояния, чем мало заселенные плоскости, будут слабее связаны друг с другом. Следовательно, наш условный кристалл обладает анизотропией механической прочности: легче всего его расколоть по плоскости (010).

На основании изложенного можно сделать обобщение, что и другие физические свойства кристалла (тепловые, электрические, магнитные, оптические) могут быть различными по разным направлениям.

Один и тот же кристалл может быть изотропным в отношении одного свойства и анизотропным в отношении другого. Например, кристалл поваренной соли изотропен относительно диэлектрической проницаемости, коэффициента теплового расширения, показателя преломления, но анизотропен в отношении механических свойств и в отношении скоростей роста и растворения граней.

Анизотропия физических свойств кристаллов используется в технике, базирующейся на применении монокристаллов (полупроводниковая электроника, электро- и радиотехника, кристаллооптика и др.). Монокристаллические элементы полупроводниковых приборов, стабилизаторов частоты, пьезодатчиков, оптических приборов изготовляются со строгим учетом кристаллографического направления. Для этих целей нужно изготовить монокристаллический образец не только определенной чистоты, формы и размеров, но и с нужной ориентацией кристаллографических осей.

Физические свойства
твердого тела можно разделить на две
категории: одна из них включает такие
свойства, как плотность, удельная
теплоемкость, которые не связаны с
выбором какого-либо направления внутри
твердого тела, свойства же другой
категории (механические модули,
термический коэффициент расширения,
коэффициент теплопроводности, удельное
сопротивление, показатель преломления
и др.) могут быть различными для разных
направлений в твердом теле.

Изотропностью
называется независимость физических
свойств тела от направления внутри
него. Если такие физические свойства
тела как модуль упругости, коэффициент
теплопроводности, показатель преломления
и т. п., одинаковы по всем направлениям,
то такое тело будет изотропным.

Под
анизотропией понимается зависимость
свойств макроскопически однородного
тела от направления. Изотропными являются
аморфные тела, жидкости и газы. Анизотропия
же является характерной особенностью
кристаллов. Но обнаружить анизотропность
можно не у всяких кристаллических тел,
а только у монокристаллов. Большинство
окружающих нас кристаллических тел,
например, металлы, являются
поликристаллическими, т. е. они состоят
из очень большого числа сросшихся друг
с другом мелких кристаллических зерен,
ориентированных различным образом.
Если в ориентации этих мелких кристалликов
нет какого-либо определенного порядка,
то данное поликристаллическое тело
будет изотропно. Если же в ориентации
кристаллических зерен наблюдается
упорядоченность (а она может возникнуть
при таких методах обработки металлов,
как прокатка, протяжка, волочение), то
материал называется текстурированным
и обнаруживает некоторую анизотропность.

В
обычных поликристаллических металлах
кристаллические зерна настолько малы,
что, как правило, различимы лишь при
наблюдении в микроскоп. Но при медленном
охлаждении расплава металла можно
получить крупнозернистый слиток, в
котором кристаллические зерна легко
рассмотреть невооруженным глазом. Если
же применить особую методику охлаждения
расплава металла, то можно получить
такие образцы, в которых будет находиться
всего одно кристаллическое зерно — один
кристалл. Такие однокристальные образцы
называются монокристаллами.

В природе встречаются
довольно большие монокристаллы минералов,
а иногда и металлов (самородки золота).
Можно получить монокристаллы многих
веществ (в том числе и металлов)
искусственно. Для этого приходится
соблюдать иногда очень тонкую и достаточно
сложную технологию.

Наглядным
примером анизотропии механической
прочности кристалла является способность
кристаллов слюды легко расщепляться
на тонкие листочки по определенному
направлению и обладать достаточной
прочностью в перпендикулярном направлении.
Монокристаллы некоторых металлов
(цинка, висмута, сурьмы) тоже довольно
легко скалываются по определенным
плоскостям. Плоскость скола при этом
представляет собой хорошее зеркало.

Исследования
показали, что кристаллы могут обладать
анизотропией теплопроводности,
электропроводности, магнитных свойств
и пр.

Анизотропия
проявляется и в поверхностных свойствах
кристаллов. Например, коэффициент
поверхностного натяжения для разнородных
граней кристалла имеет различную
величину. При росте кристалла из расплава
или раствора это является причиной
различия скоростей роста разных граней.

Анизотропия
скоростей роста обусловливает правильную
форму растущего кристалла. Анизотропия
поверхностных свойств проявляется в
различии скоростей растворения разных
граней кристалла, адсорбционной
способности, химической активности
разных граней одного и того же кристалла.

Причина
анизотропии состоит в том, что кристаллы
имеют строго упорядоченное строение.
Важнейшим следствием упорядоченной
структуры является анизотропия физических
свойств кристалла.

Поясним
сказанное. На рисунке 2.9 изображена
схема расположения атомов в кристалле.
Плоскость рисунка совпадает с одной из
плоскостей, проходящей через узлы
кристаллической решетки. Можно сказать,
что кристалл представляет собой пачку
таких плоскостей, лежащих как листы
бумаги в книге.

Если
произвести сечение такого кристалла
плоскостями, перпендикулярными плоскости
чертежа, то в зависимости от ориентации
плоскостей сечения густота расположения
атомов на них будет различной. На рисунке
2.9
направления
секущих плоскостей изображены сплошными
линиями. Из рисунка хорошо видно, что
плотность «населения» плоскостей
атомами различна; если расположить эти
плоскости в порядке убывания поверхностной
плотности атомов, то получится следующий
ряд:

(010)
(100) (110) (120) (320).

Вместе
с тем видно, что расстояния между смежными
секущими плоскостями тем больше, чем
плотнее «населенность» их атомами.
Легко
представить себе, что в наиболее плотно
заполненных плоскостях атомы прочнее
связаны друг с другом, так как расстояния
между ними меньше.

другой стороны, наиболее плотно
заполненные плоскости, будучи удаленными
друг от друга на относительно большие
расстояния, чем мало заселенные плоскости,
будут слабее связаны друг с другом.
Следовательно, наш условный кристалл
обладает анизотропией механической
прочности: легче всего его расколоть
по плоскости (010).

На основании
изложенного можно сделать обобщение,
что и другие физические свойства
кристалла (тепловые, электрические,
магнитные, оптические) могут быть
различными по разным направлениям.

Один и тот же
кристалл может быть изотропным в
отношении одного свойства и анизотропным
в отношении другого. Например, кристалл
поваренной соли изотропен относительно
диэлектрической проницаемости,
коэффициента теплового расширения,
показателя преломления, но анизотропен
в отношении механических свойств и в
отношении скоростей роста и растворения
граней.

Анизотропия
физических свойств кристаллов используется
в технике, базирующейся на применении
монокристаллов (полупроводниковая
электроника, электро- и радиотехника,
кристаллооптика и др.). Монокристаллические
элементы полупроводниковых приборов,
стабилизаторов частоты, пьезодатчиков,
оптических приборов изготовляются со
строгим учетом кристаллографического
направления. Для этих целей нужно
изготовить монокристаллический образец
не только определенной чистоты, формы
и размеров, но и с нужной ориентацией
кристаллографических осей.

Лекция 3

Электронная
структура твердых тел

3.1
Классификация состояний электронов в
атоме

3.2
Периодическая система элементов
Менделеева

Дефекты кристаллических решеток.

Строение и свойства
реальных кристаллов отличаются от
иде¬альных, представленных на рис. 1,
вследствие наличия в них дефектов,
которые подразделяют на поверхностные
и внутренние. Реальный единичный кристалл
обладает свободной (наружной) поверхностью,
на которой уже вследствие поверхностного
натяже¬ния решетка будет искажена. Это
искажение может распростра¬няться и
на прилегающую к поверхности зону.

Дефекты внутреннего
строения подразделяют на нульмерные
(точечные), одномерные — линейные и
двухмерные, т. е. развитые в двух
направлениях. К точечным дефектам
относятся: вакансии в случае, когда
отдельные узлы кристаллической решетки
не за¬няты атомами; дислоцированные
атомы, когда отдельные атомы оказываются
в междуузлиях, или примесные атомы,
количество которых даже в чистых металлах
весьма велико. Около таких дефектов
решетка будет упруго-искаженной на
расстоянии одного-двух ее периодов
(рис. 5, аЛинейные дефекты малы в двух
измерениях кристаллической решетки и
достаточно велики в третьем. К таким
дефектам отно¬сятся смещения атомных
плоскостей или дислокации и цепочки
вакансий (рис. 5, б). Поверхностные дефекты
малы только в одном направле¬нии; в двух
других они могут достигать размера
кристаллита.

Анизотропия является характерным свойством кристаллических тел. При этом свойство анизотропии в простейшем виде проявляется только у монокристаллов. У поликристаллов анизотропия тела в целом (макроскопически) может не проявляться вследствие беспорядочной ориентировки микрокристаллов, или даже совсем не проявляется, за исключением случаев специальных условий кристаллизации, специальной обработки и т. п.

Причиной анизотропности кристаллов является то, что при упорядоченном расположении атомов, молекул или ионов силы взаимодействия между ними и межатомные расстояния (а также некоторые не связанные с ними прямо величины, например, поляризуемость или электропроводность) оказываются неодинаковыми по различным направлениям. Причиной анизотропии молекулярного кристалла может быть также асимметрия его молекул. Макроскопически эта неодинаковость проявляется, как правило, лишь если кристаллическая структура не слишком симметрична.

Помимо кристаллов, естественная анизотропия — характерная особенность многих материалов биологического происхождения, например, деревянных брусков.

Анизотропия свойственна жидким кристаллам, движущимся жидкостям (неньютоновским — особенно).

Анизотропией особого рода в масштабах всего кристалла или его областей обладают ферромагнетики и сегнетоэлектрики.

Во многих случаях анизотропия может быть следствием внешнего воздействия (например, механической деформации, воздействия электрического или магнитного поля и т. д.). В ряде случаев анизотропия среды может в какой-то степени (а в некоторой слабой степени — часто) сохраняться после исчезновения вызвавшего её внешнего воздействия.

Обменная анизотропия — особенность петель гистерезиса перемагничивания магнитных материалов, проявляющаяся в несимметричном расположении петли относительно оси ординат.

Анизотропия фильтрационных свойств

Изотропностью
называют независимость физических
свойств тела от направления внутри
него. В противном случае тело обладает
анизотропией, т.е. неодинаковостью
свойств по разным направлениям (например
для механических модулей, температурный
коэффициент расширения, удельное
сопротивление, показатель преломления
и т.д.).

Анизотропия
— характерная особенность кристаллов,
а проявляется она только у монокристаллов.

Пример
анизотропии механической прочности
кристалла — способность кристаллов
слюды легко расщепляться на тонкие
листочки по определенному направлению
и обладать достаточной прочностью в
перпендикулярном направлении (тоже у
полупроводников).

Классификация кристаллов по типам внутренних связей.

Кристаллическое
состояние является нормальным
состоянием
твердого вещества, аморфное — нарушенным,
временным состоянием. Поэтому в
кристаллическом состоянии вещество
обнаруживает свои физические свойства
в самом чистом виде и в самых богатых
сочетаниях, а в аморфном веществе
свойства как бы затушеваны.

При сближении
атомов на расстоянии порядка нескольких
ангстрем (1А =
10-10
м), между ними
проявляются силы взаимодействия и между
частицами, из которых состоит вещество
возникают различные виды химических
связей. Различие в свойствах материалов
определяется видом химической связи.
Рассмотрим некоторые из них.

Если эти силы
являются силами притяжения, то атомы
могут соединяться с выделением энергии,
образуя химические соединения. При этом
электроны внутренних и внешних оболочек
атомов ведут себя по разному. Электроны
внутренних, полностью заполненных
оболочек прочно связаны с ядром и не
участвуют в образовании химических
связей. Строение внешней, не полностью
заполненной электронами оболочки
определяет химические свойства атомов
в образовавшемся соединении.

Электроны,
находящиеся на внешних оболочках,
являются валентными. Валентность атома
определяется числом этих электронов.

Все многообразие
существующих в природе материалов
характеризуется несколькими видами
химической связи.

Ковалентная
(гомеополярная) связь.
При наличии такой связи объединение
атомов в молекулу достигается за счет
электронов, которые становятся общими
для пар атомов (рис. 1.). Плотность
отрицательно заряженного электронного
облака между положительно заряженными
ионами получается наибольшей. Появление
состояния с повышенной плотностью
электронного заряда в межионном
пространстве приводит к возникновению
сил притяжения между атомами.

Рис. 1 Ковалентная
связь, формирующая молекулу водорода
H2 (справа),
где два атома водорода перекрывают два
электрона

Ковалентная связь
характерна как для органических, так и
для неорганических соединений. К
неорганическим веществам с ковалентной
связью относятся алмаз, кремний, германий,
арсенид галлия (GaAs),
карбид кремния (SiС)
и другие, являющиеся полупроводниками.
Многие полупроводники кристаллизируются
в структуре алмаза, в которой каждый
атом образует четыре связи со своими
ближайшими соседями. Ковалентная связь
в неорганических материалах характеризуется
высокой прочностью. Подтверждением
этому является высокая твердость и
температура плавления алмаза, кремния
и др. В зависимости
от симметрии строения эти молекулы
могут быть симметричными
и ассиметричными.

В симметричных
молекулах центры положительного и
отрицательного зарядов совпадают, такие
молекулы называют неполярными.

В ассиметричных
молекулах центры положительного и
отрицательного зарядов не совпадают,
такие молекулы называют полярными
(диполями).

Р=0
+ —

Н
H

│ │

H─
C
─H
H─
C─H
p=q*l

H
Cl

Ионная
(гетерополярная) связь.
Наблюдается в химических соединениях
атомов металла с металлоидными атомами
(типа NaCl). Ионная связь возникает
вследствие перехода валентных электронов
от металла к металлоиду и возникновения
электростатического притяжения
разноименно заряженных ионов друг
другу. Способность атома захватывать
электрон при образовании ионной
химической связи называется
электроотрицательностью. Чем больше
разность электроотрицательностей
атомов, участвующих в образовании
химической связи, тем прочнее ионное
соединение. В узлах кристаллической
решетки находятся разноименно заряженные
ионы, связанные силой Кулоновского
взаимодействия. Такая связь характерна
для неорганических диэлектриков. Самым
типичным примером ионных кристаллов
являются галоидные соли щелочных
металлов.

Металлическая
связь. Имеет
место в металлах. В узлах кристаллической
решетки находятся положительные ионы
находящиеся в среде свободных
коллективизированных электронов. Общее
у металлической и ковалентной связи –
наличие обобществленных электронов.
Отличие
— в обобществлении электронов участвуют
все атомы. Обобщенные электроны не
локализируются вблизи своих атомов, а
свободно перемещаются внутри решетки,
образуя «электронный газ». Притяжение
между положительными ионами и «электронным
газом» определяет целостность
металлов. Наличие
свободных электронов
придает металлам высокую электро- и
теплопроводность.

Молекулярная
связь (связь
Ван-дер-Вальса). Наблюдается у ряда
веществ с ковалентными внутримолекулярными
связями. Это наиболее слабая связь,
энергия ее примерно на два порядка
меньше энергии ионной и ковалентной
связей. Вещества с молекулярной связью
(парафин, жидкие
кристаллы) характеризуются сравнительно
низкой температурой плавления и невысокой
механической прочностью. Наиболее
характерна органическим диэлектрикам.

Расположение
частиц в кристаллической решетке.
(плотное или неплотное, тип плотной
упаковки) определяет
свойства материала.

Странная история
произошла однажды зимой. В конце прошлого
века в Петербурге на одном из складов
военного обмундирования простудились
и заболели солдатские пуговицы. Пуговицы
в те времена делали из олова. На холодном
не отапливаемом складе лежали большие
запасы белых начищенных пуговиц. Не
обратили внимания, что верхние пуговицы
стали темнеть. Продолжали темнеть,
теряли блеск и рассыпались в порошок.
При этом они как бы заражали соседние,
с которыми происходило тоже самое.
Разрушение распространилось как чума.
Все имущество погибло от «оловянной
чумы».

Что же происходит
с оловом. Эта «болезнь» — результат
перестройки атомов в кристаллическом
слое.

Есть две модификации
олова: обычное серебристо-белое олово,
ковкий металл, в виде больших монокристаллов.
Белое олово
получается
при температурах более 13,2о
С. Если же температура ниже, атомы могут
перестроиться и образовать другую
разновидность хрупкого
неметаллического серого
олова.

Свойства этих двух
модификаций совершенно различны.
Плотность белого олова 7,3 г/см3,
серого – 5,8 г/см3,
а температурный коэффициент объемного
расширения у серого в четыре раза больше,
поэтому при переходе из белой разновидности
в серую, олово резко меняет свой объем
и рассыпается.

При температуре
ниже 13,2оС
решетка белого олова становится
неустойчивой, атомы олова немного
расступаются, строй их меняется —
образуется серое олово.

Влияние дефектов кристаллических решеток на свойства материалов.

Влияние дефектов
строения на свойства материалов огромно.
Например, прочность реальных кристаллов
на сдвиг из-за наличия дефектов строения
уменьшается на три-четыре порядка по
сравне¬нию с той же характеристикой
идеального кристалла. Влияние дефектов
строения на прочностные характеристики
металлов не однозначно. Из представленной
на рис. 6 зависимости видно, что прочность
практически бездефектных кристаллов
(так называемых «усов») очень высока.
Увеличение количества п дефектов
строения в 1 см3 приводит к резкому
снижению прочности. Точка Рк характеризует
прочность металлов, которые принято
называть «чистыми». Дальнейшее увеличение
дефектов, например, введением легирующих
примесей или методами специального
искажения кристаллической решетки
повышает реальную прочность металлов.
Для создания наиболее прочных материалов
стараются получить оптимальное количество
дефектов.

Дефекты кристаллической
решетки, распределенные необходимым
образом по объему кристалла, позволяют
создавать в одном образце области с
различными типами проводимости, что
является необходимым при изготовлении
некоторых полупровод¬никовых элементов.

Строение и свойства реальных кристаллов
отличаются от иде­альных, представленных
на рис. 1, вследствие наличия в них
дефектов, которые подразделяют на
поверхностные и внутренние. Реальный
единичный кристалл обладает свободной
(наружной) поверхностью, на которой уже
вследствие поверхностного натяже­ния
решетка будет искажена. Это искажение
может распростра­няться и на прилегающую
к поверхности зону. Дефекты внутреннего
строения подразделяют на нульмерные
(точечные), одномерные — линейные и
двухмерные, т. Е. развитые в двух
направлениях. К точечным дефектам
относятся: вакансии в случае, когда
отдельные узлы кристаллической решетки
не за­няты атомами; дислоцированные
атомы, когда отдельные атомы оказываются
в между узлами, или примесные атомы,
количество которых даже в чистых металлах
весьма велико. Около таких дефектов
решетка будет упругоискаженной на
расстоянии одного — двух ее периодов

(рис. 5, а).
Хотя относительная
концентрация точечных дефектов может
быть невелика, они

вызывают чрезвы­чайно
большие изменения физических свойств
кристалла. Напри­мер, тысячные доли
атомного процента примесей к чистым
полу­проводниковым кристаллам изменяют
их электрическое сопроти­вление в
105—106
раз.

Рис.5. Дефекты кристаллической
решетки:

а
— точечные; б —
линейные; в-
двухмерные (плоскостные)

Линейные дефекты малы в
двух измерениях кристаллической решетки
и достаточно велики в третьем. К таким
дефектам отно­сятся смещения атомных
плоскостей или дислокации и цепочки
вакансий (рис. 5, б).
Важнейшим свойством
таких дефектов является их подвижность
внутри кристалла и активное взаимо­действие
между собой и с другими дефектами.

Плотность дислокаций в
кристаллах велика: в недеформированных
кристаллах их количество на 1 см2
достигает 10е—108;
при пластической деформации происходит
возникновение новых дисло­каций, и
это число увеличивается в тысячи раз.
Двухмерные де­фекты характерны для
поликристаллических материалов, т. Е.
для материалов, состоящих из большого
количества мелких кристаллов, различно
ориентированных в пространстве.

Граница сросшихся при
затвердевании кристаллов предста­вляет
собой тонкую, до 10 атомных диаметров,
зону с нарушением порядка в расположении
атомов. В поликристаллическом теле
границы отдельных кристаллов имеют
криволинейные поверх­ности разделов,
а сами кристаллы — неправильную форму.
По­этому их в отличие от правильно
ограниченных кристаллов на­зывают
кристаллитами или зернами. Зерна
поликристалла при затвердевании растут
из различных центров кристаллизации и
ориентация осей кристаллических решеток
соседних зерен раз­лична. Зерно металла
состоит из отдельных блоков, ориентирован­ных
один по отношению к другому под небольшим
углом. Границы между ними представляют
собой обычно скопления дислокаций (рис.
5, в). Поверхностные
дефекты малы только в одном направле­нии;
в двух других они могут достигать размера
кристаллита.