Физика твердого тела - Ашкрофт Н.
Скачать (прямая ссылка):
ДИСЛОКАЦИИ И РОСТ КРИСТАЛЛОВ
Проблему пластического (т. е. необратимого) течения удалось разрешить, связав ее с движением дислокаций. Столь же запутанной была проблема роста кристаллов, решение которой было получено лишь после того, как была принята во внимание возможность существования винтовых дислокаций.
Фиг. 30.17. Различные возможные механизмы роста кристаллов.
Атомы сравнительно слабо связаны с плоской поверхностью идеального кристалла (а), сильнее связаны со ступенькой, образованной двумя плоскостями (б), и наиболее сильно связаны в углу, образованном двумя ступеньками (в). Если в кристалле имеется винтовая дислокация (г), то при добавлении атомов локально плоская структура может образовывать бесконечную спираль вокруг дислокации. Рост кристалла таким способом происходит значительно быстрее, поскольку при этом не требуется образование зародыша
новой плоскости, как в случае а.
Предположим, что мы выращиваем большой кристалл, поместив маленький кусочек кристалла в пары соответствующего вещества. Атомам пара легче всего занять те узлы решетки, которые окружены уже заполненными узлами. Поэтому атом сравнительно непрочно связан с плоской поверхностью идеального кристалла; более сильной оказывается связь со ступенькой, образованной двумя плоскостями, а наибольшую величину сила связи имеет, когда атом расположен в углу (фиг. 30.17). Будем считать растущий кристалл идеальным;
254
Глава 30
кроме того, предположим, что рост происходит последовательно плоскость за плоскостью. Тогда образование каждой новой плоскости обязательно должно начинаться с конденсации атома на поверхности, как изображено на фиг. 30.17,а. Поскольку в этом случае связь сравнительно слаба, такой процесс (который называется «образованием зародыша следующего слоя») должен происходить значительно медленнее, чем нужно для объяснения наблюдаемой скорости роста кристалла. Если, однако, в кристалле имеется винтовая дислокация, то совсем не обязательно, чтобы возникал зародыш атомной плоскости, так как локально плоская структура может бесконечно накручиваться на дислокацию подобно винтовой лестнице (фиг. 30.17, г).
УСЫ
При описанном выше способе роста кристаллов могут образовываться очень длинные тонкие нитевидные кристаллы — «усы» (whiskers), которые навиваются на одну винтовую дислокацию и тем самым продолжают ее на очень большую длину. Такие усы могут содержать только одну дислокацию (саму затравочную винтовую дислокацию) и обнаруживают прочность, сравнимую с предсказываемой в модели идеального кристалла.
НАБЛЮДЕНИЕ ДИСЛОКАЦИИ И ДРУГИХ ДЕФЕКТОВ
Одно из самых первых подтверждений того, что дислокации (и другие виды дефектов) действительно существуют в кристаллах, выращенных в обычных условиях, было получено Брэггом и Наем [8j, исследовавшими системы одинаковых пузырьков, плавающих на поверхности мыльного раствора. Двумерная система пузырьков, слипающихся под действием сил поверхностного натяжения, очень хорошо аппроксимирует некоторое сечение кристалла. В структурах, образованных пузырьками, были обнаружены и точечные дефекты, и дислокации, и границы зерен.
Впоследствии дефекты в твердых телах наблюдались и непосредственно методом электронной микроскопии (в проходящем пучке электронов). С помощью химического травления также удалось выявить точки пересечения дислокаций с поверхностью твердых тел. Около таких точек твердое тело сильно деформировано и под действием химически активных веществ в основном удаляются именно атомы, лежащие в деформированной области.
ДЕФЕКТЫ УПАКОВКИ КАК ПРИМЕР ДВУМЕРНЫХ ДЕФЕКТОВ
Существует более сложный тип скольжения, обусловленный дислокациями. Оно возникает в том случае, когда приложенное усилие вызывает когерентное рождение дислокаций в следующих друг за другом атомных плоскостях. При движении любой дислокации по кристаллу позади нее остается атомная плоскость, сдвинутая на вектор, не совпадающий с вектором решетки Бравэ; в результате же прохождения целого семейства дислокаций образуется область, в которой кристаллическая структура оказывается зеркальным отражением (относительно плоскости скольжения) первоначальной структуры кристалла. Такой процесс называют двойникованием, а саму измененную область — деформационным двойником.
Например, в идеальном гранецентрированном кубическом кристалле последовательное расположение плоскостей типа (111) может быть представ-
Дефекты в кристаллах
255
лено в виде схемы
•авсавсавсавс.
(30.26)
как это изображено на фиг. 4.21. После скольжения, приводящего к образованию деформационного двойника, схема принимает следующий вид:
. авсаТсакавсвасбасва№А ....
(30.27)
где двойной стрелкой отмечена граница области, в которой происходило скольжение.
Смещенные таким образом атомные плоскости носят название дефектов упаковки. В качестве другого примера можно привести такое расположение плоскостей:
авсавсававсавсавс.
(30.28)
Здесь данная плоскость (отмеченная двойной стрелкой) находится не на своем месте; ее расположение соответствует последовательности плоскостей в гексагональной плотноупакованной решетке, а не в гранецентрированной кубической; за этой плоскостью продолжается обычное (не зеркально отраженное) расположение плоскостей, характерное для г. ц. к. решетки.
