Defectele Rețelei Cristaline

A. Cristale reale.

Reţea cristalină, ceea ce presupune o periodicitate tridimensională perfectă, realizată prin repetarea unor elemente structurale constituite din atomi, ioni sau molecule. Un cristal cu o asemenea reţea cristalină este numit cristal perfect ideal.

Cristalele naturale prezintă o serie de abateri de la reţeaua cristalină perfectă sau, prezintă efecte ale reţelei cristaline. Aceste cristale se numesc cristale reale.

Defectele reţelei cristaline pot influenţa decisiv proprietăţile cristalului, deoarece acestea depind nu numai de natura cristalelor ci şi de natura şi numărul defectelor reţelei cristaline. Astfel, conducţia electrică în cristalele semiconductoare , culoarea, luminiscenţa, unele proprietăţi mecaniceale cristalelor sunt determinate de impurităţile conţinute sau de imperfecţiunile reţelei cristaline.

Defectele reţelei cristaline pot fi grupate în două clase importante:

a) defecte punctiforme;

b)defecte extinse;

B) Defecte punctiforme.

Defectele punctiforme sunt localizate lângă un nod sau atom al reţelei cristaline. Din această clasă fac parte fononii, excitonii, centri de culoare, defecte atomice.

1) Defectele energetice (fononii).

Oscilaţiile termice ale atomilor şi ionilor reţelei cristaline în jurul poziţiilor de echilibru

constituie defecte ale reţelei cristaline, căci ele au drept consecinţă deplasarea atomilor faţă de poziţia pe care o ocupă în reţeaua ideală (poziţia de echilibru). Reţeaua cristalină ideală ar trebui să fie imobilă ceea ce nu se întâmplă în realitate deoarece ea posedă o anumită cantitate de energie termică la orice temperatură superioară lui 0 K. Oscilaţiile termice ale reţelei cristaline se propagă sub forma unor unde elastice, cuantele acestora fiind numite fononi, prin analogie cu cuantele undelor electromagnetice care se numesc fotoni. Fononii sunt cvasiparticule ce au energia W = ν h şi impulsul Concentraţia fononilor şi distribuţia lor în funcţie de frecvenţă depinde de temperatură. Interacţiunea fononilor cu particulele ce alcătuiesc reţeaua cristalină explică multe din fenomenele întâlnite în solide: conductibilitatea termică, absorbţia în IR a fotonilor, creşterea numărului de purtători de sarcină din semiconductori odată cu creşterea temperaturii.

2) Defecte electronice (excitoni).

Proprietăţile electrice ale solidelor pot fi explicate utilizând modelul benzilor de energie. În cazul unui cristal dielectric perfect structura benzilor de energie cuprinde o bandă de conducţie (BC)complet lipsită de electroni şi o bandă de valenţă (BV) plină cu electroni. La dielectricii cristalini reali există însă întotdeauna un număr de electroni în BC şi corespunzător un număr egal de goluri în BV.Prezenţa acestor electroni în BC, respectiv a golurilor în BV, reprezintă abateri faţă de structura cristalului perfect constituind deci defecte ale reţelei cristaline.

În cristalele izolatoare sau semiconductoare pot fi generate perechi electron-gol în urma

absorbţiei unor fotoni cu energia mai mare decât lărgimea benzii interzise

Interacţiunea coulombiană electron-gol poate duce la apropierea şi neutralizarea acestora, proces numit recombinare. Uneori însă interacţiunea coulombiană nu duce la recombinare ci la realizarea unei stări stabile legate, în care electronul execută o deplasare în vecinătatea golului. Sistemul format din perechea electron-gol, aflate într-o asemenea stare stabilă se numeşte exciton. El ia naştere prin absorbţia în solidul cristalin a unui fonon cu energia , deci a unui fonon a cărui energie este insuficientă pentru a produce ieşirea electronului din BV şi trecerea lui în BC. Excitonul este şi el un defect de structură al solidului. El se poate deplasa în reţeaua cristalină transportând energia sa de excitaţie, dar fără a transporta sarcină electrică, deoarece este neutru din punct de vedere electric.

3) Defecte atomice (vacanţe şi atomi interstiţiali)

În cristalele reale există noduri de reţea neocupate cu atomi sau ioni (noduri vacante), careconstituie defecte ale reţelei cristaline numite vacanţe. Atomii sau ionii care au părăsit nodurile reţelei cristaline pot să migreze spresuprafaţa cristalului, constituind defectele Schottky sau se potplasa în spaţiul dintre nodurile reţelei cristaline, numit spaţiul interstiţial, constituind defectele Frenkel sau atomii interstiţiali.