Ve čtyřicátých letech minulého století bylo dokázáno, že řada vlastností krystalů závisí na poruchách krystalové mřížky. V roce 1934 G. I. Tailor a E. Orowan předpověděli existenci dislokací, které byly experimentálně potvrzeny v roce 1953.
Bezchybná krystalová struktura.
Zdroj: Techmania Science Center. Autor: Magda Králová. Under Creative Commons.
Ideální krystalová mřížka se vyznačuje pravidelným uspořádáním stejných elementárních buněk, v nichž se opakuje vždy stejné rozložení částic. Tato dokonalá periodičnost však není splněna u reálných krystalů. Každý reálný krystal má ve své struktuře poruchy. Existence mřížkových poruch se projevuje na řadě vlastností. Tyto vlastnosti, jako jsou např. mez skluzu, mez pevnosti, magnetická permeabilita či elektrický odpor. Na druhé straně existují vlastnosti, jakými jsou např. měrné teplo nebo koeficient tepelné roztažnosti, které se jen málo mění vzorek od vzorku.
Poruchy krystalové mříže lze rozdělit podle různých hledisek. Z nich nejpřirozenější je rozdělení podle dimenze, tj. na poruchy bodové (bezrozměrné), čárové (jednorozměrné), plošné (dvojrozměrné) a objemové (trojrozměrné). Další dělení je na atomové (je narušena periodicita v rozložení hmotnosti), elektronové (je narušena periodicita v rozložení elektrického náboje) nebo přechodové poruchy (jsou časově omezené, patří k nim fotony, částice, jimiž je látka bombardována apod.) Na obrázku jsou druhy bodových poruch.
Bodové poruchy – vakance, intersticiální polohy částic a příměsy.
Zdroj: Techmania Science Center. Autor: Magda Králová. Under Creative Commons.
Vakance je porucha vyvolaná chybějícími částicemi v mřížce. Příčinou může být kmitavý pohyb částic, který způsobí, že se částice uvolní ze své původní rovnovážné polohy a toto místo zůstane neobsazeno. Vakance se mohou v krystalu pohybovat (tzv. migrace vakancí) a to tím snadněji, čím je vyšší teplota krystalu. Při vzniku některých kovových slitin se vytváří velký počet vakancí. Intersticiální polohy částic se projevují přítomností částic mimo pravidelný bod mřížky. Je–li touto částicí iont, přenáší při svém pohybu elektrický náboj a způsobuje tak elektrickou vodivost iontových krystalů. Příměsy (nečistoty) jsou cizí atomy, které se vyskytují v krystalu daného chemického složení. Dokonale čistý krystal (např. kovu), skládající se pouze z jednoho druhu atomů, nelze vyrobit. I velice čistý materiál (99,9999 %) obsahuje v 1 m3 asi 1023 atomů nečistot (pokud jsou cizí atomy nežádoucí, nazýváme je nečistotami, v opačném případě příměsemi). Cizí atomy se nachází buď v intersticiální poloze nebo nahrazuje vlastní částici mřížky. Počet a uspořádání atomů uhlíku, kyslíku a dusíku v mřížce železa má vliv na vlastnosti různých druhů oceli, příměsi v krystalickém kysličníku hlinitém mají vliv na druh drahokamu. Další způsob využití je u nevlastních polovodičů.
Dalším typem poruch jsou poruchy čárové, které nazýváme dislokace. Tento pojem byl zaveden v roce 1934 Taylorem a Orowanem pro vysvětlení mechanismu deformace kovů. Experimentálně byla existence dislokací prokázána o téměř dvacet let později.
Čárová porucha – dislokace.
Zdroj: Techmania Science Center. Autor: Magda Králová. Under Creative Commons.
Dislokace vznikají přirozeným způsobem při růstu krystalů, při mechanickém napětí (při tuhnutí, při plastické deformaci). Dislokace není rovnovážnou poruchou jakou je vakance, a tak lze i při teplotách vyšších, než 0 K vyrobit krystal bez dislokací (i když je to náročné). Existují dva základní druhy dislokací: hranová a šroubová. Dislokace, která má vlastnosti obou, se nazývá dislokace smíšená. Dislokace je z atomového hlediska „obrovským“ útvarem, neboť začíná a končí na stěnách krystalu, nebo se váže sama na sebe (tvoří smyčku) a obsahuje tedy nepředstavitelné množství atomů. Hranové dislokace výrazně ovlivňují pevnost materiálů.
