Визначення одновимірних дефектів

Успішна реалізація теоретичних і експерименталь-них робіт з вивчення точкових дефектів атомної будови кристалів дозволила розв’язати виниклої у фізиці кризи, коли для сучасного трактування таких фундаментальних властивостей кристалічних тіл, як дифузія й електро-провідність, були введені новітні подання про точкові дефекти реальних кристалічних структур. Однак розв’язання кризи у фізиці виявилося неповним: невирішеним залишилося питання про розбіжність (на кілька порядків) теоретичних оцінок міцних властивостей кристалів і реальних результатів визначення їхніх механічних властивостей.

Для пояснення розриву між теоретичною оцінкою міцності кристалів й її експериментальних значень А.Ф.Іоффе запропонував модель двох звичайних пилок, якими пиляли дрова для печі. Якщо з’єднати дві однакових нових пилки, щільно вставивши зубці однієї пилки в проміжки між зубцями іншої такої самої пилки (рис.5.3, а), і спробувати змістити (зрушити) їх відносно один щодо одного в протилежних напрямках, то для цього буде потрібно прикласти порівняно велику силу внаслідок гарного зчеплення між зубцями. Якщо ж подібним чином спробувати зрушити одну щодо одної дві стареньких пилки з викришеними зубцями, що затупилися (рис. 5.3 б),то зчеплення між такими зубцями буде значно слабкіше й зрушити дві таких пилки одна щодо одної буде набагато легше. На жаль, подібна модель чекала свою реалізацію не один десяток років.

Сучасне вчення про атомну структуру реального кристала трактує розрив між класичною теорією атомної будови ідеального кристала й експериментом на основі теорії дислокацій.

Рисунок 5.3 - Дислокаційна модель А.Ф. Іоффе:

а - ідеальний кристал; б - реальний кристал

Згадана класична теорія атомної будови ідеального кристала описувала зрушення сусідніх атомних площин як результат одночасного розриву всіх старих між вузлових зв'язків (як схематично показане на рис. 5.4 а).

На відміну від теорії ідеальної атомної будови кристалічної структури теорія дислокацій вводить поняття про наявність деякої невідповідності між розміщенням атомів у сусідніх атомних площинах. Причинами такої невідповідності можуть бути результати впливу на кристалічну структуру безлічі найрізноманітніших факторів, у числі яких можна відзначити й неминучі механічні напруги в кристалі, які завжди нявні в кристалі й приводять до деформації атомних площин кристала; неминуча наявність домішковіх атомів, що спотворюють атомну структуру основної речовини; специфічні ростові дефекти, які викликають виникнення в зростаючому кристалі різного роду неоднорідностей й ін.

Один із прикладів такої невідповідності між розміщенням атомів у сусідніх атомних площинах наведений на рис. 5.4 б,де число атомних площин у верхній частині кристала на одне більше, ніж у нижній його частині. Це можлива й очевидна невідповідність призводить до досить серйозних наслідків у поводженні кристала під впливом зовнішніх напруг. Тепер для взаємного зрушення сусідніх атомних площин а й с непотрібно одночасного розриву всіх міжвузлових зв'язків між атомними площинами, досить переміщення лише одного міжвузлового зв'язку з положення е в положення f (при цьому зайва площина d пересунеться вліво в напрямку сили Р). Подібна схема дає цілком логічне пояснення невідповідності між оцінками міцності кристала з класичної теорії й фактичних експериментальних даних.

Рисунок 5.4 - Схеми зрушення: в ідеальному кристалі (а), у реальному кристалі (із крайовою дислокацією) (б)

Поява нової фізичної теорії сполучено із введенням спеціальної термінології. Площина g - g (рис. 5.5), по якій відбувається взаємний зсув сусідніх атомних площин а й с, називають площиною ковзання. Зайву площину d називають екстра площиною, або обірваною площиною. Лінію dl, що є границею экстраплощини d, називають лінією дислокації, або віссю дислокації.

Дислокація, показана на рис. 5.5, являє собою приклад лінійного дефекту (або одновимірного дефекту) кристалічної структури, оскільки лише один із розмірів цього дефекту - уздовж лінії дислокації dl (тобто уздовж краю обірваної площини d) - порівняно з розмірами самого кристала, а два інших розміри – з порядком міжвузлових відстаней.

Дислокацію, показану на рис. 5.4 б й 5.5, називають крайовою дислокацією (по краю обірваної площини), що є невід'ємною ознакою цієї дислокації.

Дислокацію характеризують вектором дислокації dl і вектором Бюргерса b (рис. 5.5). Вектор дислокації dl завжди орієнтований уздовж лінії дислокації dl, що йде уздовж краю обірваної площини d й, природно, не може перерватися усередині кристала: лінія дислокації dl або замикається усередині кристала, або обидва кінці її виходять на поверхню кристала.

Рисунок 5.5 - До побудови контуру Бюргерса (навколо лінії крайової дислокації dl)

Вектор Бюргерса b служить мірою пружного перекручування реальної кристалічної структури (у порівнянні зі структурою ідеального кристала). Для визначення вектора Бюргерса, названого так на ім’я голландського вченого, навколо лінії дислокації dl будують замкнутий контур, названий контуром Бюргерса, що утвориться з рівного числа кроків униз і нагору (стосовно до атомної структури кожен крок дорівнює відповідній міжатомній відстані), а також з однакового числа кроків уліво й вправо. Щоб замкнути контур і повернутися в початкову точку контуру Бюргерса, варто додати ще вектор b, який вказує міру перекручування кристалічної структури при утворенні дислокації.

Як приклад побудуємо контур Бюргерса й знайдемо вектор Бюргерса для крайової дислокації на рис. 1.5. Почнемо обхід навколо лінії дислокації dl по контуру Бюргерса в точці е₁. Побудуємо контур е₁-е₂-е₃-е₄-е₅, що відповідає зазначеному правилу: по два кроки вниз (е₁-е₂) і нагору (е₃-е₄) і по три кроки вліво (е₂-е₃) і вправо (е₄ -е ₅), замкнемо його відрізком (е ₅- е₁), що й є шуканим вектором Бюргерса b. Важливо підкреслити, що вектор Бюргерса є величиною інваріантною, яка не залежить від вибору конкретного контуру для обходу навколо лінії дислокації. Дійсно, якщо обійти навколо лінії дислокації l по контуру k₁—k₂—k₃—k₄—k₅ і замкнути цей контур відрізком k ₅ – k_1, те одержимо точно такий самий вектор Бюргерса, як при обході по першому контуру.

Вектор Бюргерса записують за допомогою трьох його компонентів b_х,b_у,b_z: b =[ b_хb_уb_z ]. Наприклад, якщо взяти напрямок е₄-е₁ за координатну вісь ОY, напрямок е₄-е₃ -за вісь ОХ, то для знайденого вектора Бюргерса b (рис. 1.5) одержимо: b_х = 0; b_у = а; b_z = 0 або b = a[010] (беручи кристалічну структуру на рис. 1.5 за кубічну). Відзначимо, що отримане позначення вектора Бюргерса містить як одну зі своїх складових частин кристало-графічний символ напрямку координатної осі ОY, що збігається з напрямком самого вектора Бюргерса [010].

Для прямокутних координатних систем модуль вектора Бюргерса (або, як цей модуль ще називають, потужність вектора Бюргерса) дорівнює

b = ׀ b ׀ = √¯ b²_х +b²_в +b²_z

Енергія дислокацій

З модулем вектора Бюргерса безпосередньо пов'язана величина енергії дислокації Е. Оскільки вектором Бюргерса характеризується величина пружного перекручування (пружної деформації) кристалічної структури внаслідок утворення дислокації (деформована кристалічна структура працює як стисла або розтягнута пружина), то енергію дислокації можна оцінити як величину, що пропорційна квадрату деформації, тобто квадрату модуля вектора Бюргерса:

E~ ׀ b ׀ ².

З модулем вектора Бюргерса також безпосередньо пов'язана величина мінімального зусилля, необхідного для переміщення дислокації в сусіднє положення й діючого на одиницю довжини дислокації:

F_П = [ 2 b /(1−μ)] {exp [−2π/(1−μ) (d/b)]},

де F_П- сила Пайерлса; G - модуль пружності при зрушенні; μ - коефіцієнт Пуассона; d - відстань між сусідніми атомними площинами, у яких відбувається ковзання.

З формули Пайєрлса треба зробити важливий висновок про те, що найбільш легке ковзання здійснюється по площинах щільним упакування, тому що щільно упакованим атомним площинам відповідають максимальні міжплощинні відстані d.

Визначимо взаємне просторове розташування векторів dl і b. Вектор дислокації dl відповідно до рис. 1.5 розміщується перпендикулярно до площини риунка в напрямку [001]. Випливає, що цей вектор утворить із вектором Бюргерса b = a[010] прямий кут dl ┴ b, що служить характерною ознакою крайової дислокації.

Дислокацію оточують поля внутрішніх напружень: у верхній частині рис. 1.5 вище площини ковзання наявність екстраплощини свідчить про наявність напруг стиску, а нижче площини ковзання наявні напруги розтягання.

Із наявністю внутрішніх напружень навколо дислокації пов'язаний один із експериментальних методів виявлення дислокацій у кристалі. Для цього контрольовану поверхню кристала піддають хімічному травленню, у результаті якого розчиняється тонкий поверхневий шар кристала. Після травлення на поверхні кристала на місцях виходу дислокацій залишаються ямки травлення з гострою ямкою. В області дислокації кристал розчиняється інтенсивніше внаслідок наявності внутрішніх напружень (рис. 5.6). За кількістю таких ямок травлення, що припадають на одиницю площі поверхні кристала, визначають щільність дислокацій у кристалі, що служить одним із найважливіших контрольованих показників якості кристала.

Рисунок 5.6 - Схема виявлення дислокацій методом

Травлення

Іншим методом контролю щільності дислокацій у кристалі служить пряме спостереження дислокаційних ліній у кристалі за допомогою інфрачервоного мікроскопа. Деякі кристали (наприклад, кристали напівпровідникових речовин) виявляються прозорими для інфрачервоних променів, які невидимі для неозброєного ока. Тому до звичайного металографічного мікроскопа додають спеціальною приставкою з електронно-оптичним перетворювачем і проводять безпосередній підрахунок ліній дислокацій, що потрапили в поле зору. Для об'єктивної оцінки щільності дислокацій у кристалі роблять усереднення показників (так само, як і для методу травлення) густини за декількома десятками полів зору.

Крім розглянутих крайових дислокацій, реальний кристал може також містити лінійні дефекти інших типів: гвинтові дислокації й дислокації змішаного типу. На рис. 5.7 наведені для порівняння схеми утворення крайо-вих (рис. 5.7 а, б) і гвинтових дислокацій (рис. 5.7 в).Якщо у випадку крайової дислокації її лінія дислокації (вектор dl) і вектор Бюргерса b були взаємно перпендикулярні, то у випадку гвинтової дислокації вектор дислокації dl і вектор Бюргерса b паралельні один одному: dl ׀׀ b. На рис. 5.7 ві вектор дислокації dl, і вектор Бюргерса b розміщуються паралельно напрямку [100]. Якщо крайова дислокація має характерну для неї площину ковзання, то гвинтова дислокація цього позбавлена.

У загальному випадку дислокації в кристалі можуть містити і крайову, і гвинтову компоненти й будуть тоді називатися дислокаціями змішаного типу. На рис. 1.8 показана замкнута петля лінії дислокації (як її видно в інфрачервоний мікроскоп типу МИК–1) з незмінним вектором Бюргерса b (нагадаємо, що вектор Бюгерса інваріантний, тобто зберігає ту саму величину й постійний напрямок уздовж всієї лінії дислокації).

На відміну від вектора Бюргерса b, вектор дислокації dl міняє свій напрямок від точки до точки при переміщенні уздовж лінії дислокації l. Крім чотирьох особливих точок дислокаційної петлі (а, b, с і d) дислокація на рис. 5.8 має обидві компоненти (і крайову, і гвинтову) і є дислокацією змішаного типу. Тільки в зазначених чотирьох точках дислокація має по одній компоненті: у точках а й з вектори

Рисунок 5.7 - Схеми виникнення дислокацій у кристалічній структурі: а - вихідна структура; б - крайова дислокація; в - гвинтова дислокація

Рисунок 5.8 - До визначення дислокацій: крайового,

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: