Химия твердого тела. Теория и приложения: В 2-х ч. Ч. 1 - Вест А.
ISBN 5-03-000056-9
Скачать (прямая ссылка):
Рис. 9.20. Торможение краевой дислокации на примесном атоме.
9.8.1. Наблюдение дислокаций
Наиболее важными для изучения дислокаций являются методы оптической и электронной спектроскопии. Прямое изображение решетки дает возможность непосредственно наблюдать дислокации на электронных микрофотографиях тонких кристаллов. Более старый и канонический способ исследования дислокаций заключается в протравливании поверхности изучаемого материала и последующем изучении образовавшихся ямок травления в оптическом микроскопе. Именно таким методом в 50-х годах были получены данные о поведении дислокаций в 1лТ. Ме
9.8. Дислокации, механические свойства твердых тел
423
таллы трудно изучать этим способом, так как обычно не удается приготовить исходные образцы, не содержащие дислокаций. В этом отношении ЫР, напротив, прекрасный объект для исследований, так как монокристаллы этого вещества с малой плотностью дислокаций вполне доступны, и дислокации могут быть введены в них контролируемым образом при умеренных нагрузках.
Для наблюдения дислокаций кристаллы 1ЛР протравливают в растворе Нг02, в котором «нормальная» растворимость 1лР весьма незначительна. В местах выхода дислокаций на поверхность кристалл находится в аномально напряженном состоянии, положение атомов или ионов не соответствует минимуму свободной энергии, в результате чего эти области кристалла быстро растворяются в Н202, образуя ямки травления, имеющие форму перевернутых пирамид. Такой метод наблюдения дислокаций следует отнести к деструктивным, так как на атомном уровне рассмотрения ямки травления являются огромными дырами в кристалле, проделанными ради обнаружения тоненьких дислокаций. В то же время этот метод ясно указывает на то, какое огромное влияние дислокации могут оказывать на реакционную способность (в данном случае — растворимость) кристаллов. Если поперечный размер отдельных ямок (т. е. ширина основания пирамиды на поверхности кристалла), образовавшихся при травлении, составляет 10 мкм, то это означает, что дислокации не могут быть расположены ближе друг к другу, чем это расстояние, иначе ямки не были бы изолированными. При скольжении дислокации могут располагаться на расстояниях, гораздо меньших указанного. В этих случаях ямки травления объединяются в протяженные линии. Подобные линии или наборы линий образуются благодаря повторяющемуся зарождению дислокаций в некоторых участках поверхности кристалла.
Оптические наблюдения в сочетании с травлением дают, та-ким образом, информацию о числе дислокаций и их распределении в кристалле. Для изучения движения дислокаций этот метод является косвенным, хотя и достаточно чувствительным. Он основан на свойстве ямок травления сохранять форму перевернутой пирамиды в том случае, если в дне ямки имеется дислокация. Если же дислокация продвинулась дальше, а травление продолжается, то старая ямка травления будет расти только в ширину и приобретет плоскодонную форму. В благоприятных случаях удается использовать это свойство для изучения движения дислокаций под действием приложенной нагрузки: кристалл периодически освобождают от нагрузки, протравливают и наблюдают дислокационную картину по ямкам травления, при этом новые положения дислокаций отличают от старых по форме ямок. Один из интересных результатов, получен
424
9. Дефекты в кристаллах и нестехиометрия
ных таким способом, состоит в том, что скорость движения краевых дислокаций оказывается намного больше скорости винтовых.
Присутствие дислокаций может быть обнаружено также при изучении кристалла в оптическом поляризационном микроскопе. Благодаря тому что кристаллы ЫР имеют кубическую структуру, в поляризованном свете они выглядят темными. Сжимающие напряжения приводят к появлению дислокаций и, следовательно, к искажению кубической структуры вблизи дислокаций. В оптическом микроскопе это проявляется в виде полосы напряжений. Поскольку дислокации в 1лР развиваются в плоскостях {110} и {100}, соответствующие им полосы напряжений перекрещиваются, и картина в целом напоминает ткань «в клетку».
9.8.2. Дислокации и структура кристаллов
Для каждого кристалла характерны преимущественные плоскости или группы плоскостей, в которых наблюдается образование дислокаций, а также преимущественные направления движения дислокаций. Преимущество тех или иных плоскостей и направлений определяется кристаллической структурой материала. Энергия, требующаяся для перемещения дислокации на одну трансляционную единицу, пропорциональна квадрату величины вектора Бюргерса Ь, т. е.
?~|Ь|2
Поэтому для любого конкретного материала наиболее важное значение имеют дислокации, характеризующиеся наименьшей величиной Ь.
В металлах направление движения дислокаций, как правило, параллельно одному из направлений плотнейшей упаковки кристаллической структуры.
На рис. 9.21, а изображены проекции атомных слоев в виде двух рядов окружностей; эти ряды являются плотноупакован-ными (каждый атом касается соседнего атома того же ряда). Под действием сдвиговых напряжений с помощью дислокаций, которые не показаны на рисунке, верхний ряд сдвигается на одну трансляцию относительно нижнего ряда. После сдвига (рис. 9.21, б) атом Г занимает место, которое ранее было занято атомом 2' и т. д. Расстояние 1'—2Г соответствует единице трансляции при скольжении и движении дислокаций. Оно равно величине вектора Бюргерса, т. е. |Ь'| =с1, где й — диаметр окружности. Следовательно, Еь~й2.
