Исследование дефектов в наномасштабе
Согласно последнему исследованию ученых из Бельгии, дефекты кристаллической решетки в кристаллах формируются в наноструктурах гораздо быстрее, чем в случае с обычными материалами. Это предположение подтверждается разработанной ими теоретической моделью формирования вакантных позиций в кристалле в зависимости от размеров частицы. Результаты исследований помогают понять, как именно появляются дефекты в наноструктурах, и каким образом они влияют на свойства материалов.
Дефекты кристалла – это различные варианты нарушения трансляционной симметрии кристаллической решетки. Дефекты бывают точечные, линейные, плоские и объемные. Вакансия – это частный случай точечного дефекта кристалла - отсутствие атома в определенном узле кристаллической решетки.
Вакантные дефекты могут образовываться двумя различными способами: через формирование вакансии в поверхностном слое с последующим перемещением ее вглубь объема; или через одновременное образование вакансии и дислоцированного (лишнего) атома прямо в объеме кристалла, например, вследствие теплового движения атомов в кристаллической решетке. Очевидно, что при повышении температуры дефектов, образующихся по второму пути, становится больше.
Из макроскопической теории кристаллов (в частности, полупроводников) известно, что вакансии значительно влияют на электрические и механические свойства материала. Особенно сильно заметно влияние, если речь идет о наноструктурах. Кроме того, дефекты влияют на особенности распространения в материале высокой температуры.
Современные требования науки ставят перед инженерами задачу управления формированием подобных дефектов, т.к. размеры используемых структур уменьшаются и приближаются по порядку к нанометрам.
Для решения этой задачи группа исследователей из Catholic University of Louvain (Бельгия) разработала теоретическую модель, показывающую процесс формирования вакантных дефектов в кристалле при уменьшении размеров структуры. Проведенные вычисления показывают, что концентрация дефектов резко повышается при уменьшении размеров структур и повышении температуры окружающей среды. Ученые объясняют этот факт тем, что при уменьшении размеров возрастает отношение площади поверхности структуры к ее объему, что приводит к повышению вероятности образования вакансии. Стоит отметить, что дефекты также изменяют структуру решетки вокруг вакансий, что приводит к уменьшению параметра решетки.
Подробные результаты работы ученые опубликовали в журнале Journal of Physical Chemistry C. Как было отмечено выше, полученные результаты могут пролить свет на то, каким образом дефекты влияют на механические, электрические и тепловые свойства наноструктур. В целом вакансии приводят к уменьшению электрической и тепловой проводимости в наноматериалах из-за рассеяния свободных электронов на образовавшихся дефектах. Но в деталях этот процесс был еще не до конца изучен. В дальнейшем группа планирует продолжить исследования в данной области на основе разработанной теоретической модели.
