4.2.4. Радиационные дефекты

Радиационные дефекты – точечные дефекты, возникающие при облучении кристаллов быстрыми частицами (нейтронами, протонами, электронами), а так же осколками деления ядер и ускоренными ионами.

Действие радиации на кристалл создаёт в нём повышенную неравновесную концентрацию точечных дефектов.

Рассмотрим механизм возникновения радиационных дефектов при облучении кристаллов. Прохождение частиц через кристалл сопровождается сложными процессами, в том числе:

1. Упругие столкновения быстрых частиц с ядрами атомов кристалла.

2. Возбуждение электронных оболочек атомов кристалла и их ионизация

3. Ядерные превращения – переход части атомов в кристалле в радиоактивное состояние и превращение их после радиоактивного распада в примесные центры.

Для возникновения радиационных дефектов наибольшее значение имеют процессы п.1. Если энергия, переданная в результате упругого столкновения от движущейся частице атому-мишени певышает некоторое значение, то атом мишени, выбитый из узла решётки, оставляет вакансию, а сам движется через кристалл.

Наименьшее значение энергии Е_d, которую необходимо передать одному из атомов кристалла, чтобы он оказался в ближайшей междоузельной позиции, называется пороговой энергией.

Если энергия, переданная атому быстрой частицы, меньше Е_d, то смещение не происходит, а возникают лишь упругие волны, энергия которых переходит в энергию теплового движения атомов.

Вывод: каждый атом кристалла, получивший от быстрой частицы энергию больше Е_d, может сместиться в междоузлие, в результате чего одновременно возникают вакансия и атом междоузлия, т.е. радиационные дефекты всегда парные – дефекты Френеля. Если значение энергии смещённых атомов, называемых атомами отдачи, превышает Е_d, то эти первичные атомы отдачи могут создавать в свою очередь вторичные атомы отдачи, и так далее, до тех пор, пока энергия смещённых атомов не приблизится к пороговому значению Е_d, и таким образом возникает каскад атомных смещений.

Рисунок: вдоль пути движущейся частицы образуется сильно разупорядоченная область. Образование каскада смещений занимает время 10^-13.. 10^-14 с. После этого происходит более длительный процесс релаксации, определяющий в конечном счёте число и распределение образовавшихся дефектов, от которых зависят физические свойства твёрдого тела.

4.3. Дислокации

Дислокации – устойчивые линейные дефекты кристаллической решётки, нарушающие чередование атомных плоскостей.

Дислокации, нарушающие дальний порядок в кристалле искажают всю его структуру. Различают 2 типа дислокаций: краевая и винтовая.

4.3.1. Краевая дислокация

Краевая дислокация характеризуется лишней кристаллической плоскостью, вдвинутой между двумя соседними слоями атомов. Этот лишний слой (лишняя плоскость) называется экстра-плоскостью.

Для краевой дислокации характерно так называемое нониусное расположение атомных плоскостей. Т.е. сверху n+1 атомная плоскость, а снизу, на том же отрезке длины n-плоскостей. Если представить введении дислокации сдвигом, то можно сказать, что верхняя часть атомной сетки сдвинута относительно нижней на одно межатомное расстояние, и вектор сдвига обозначен τ.

Краевые дислокации подразделяются на положительные и отрицательные.

Положительная дислокация соответствует случаю, когда сверху есть лишняя полуплоскость. Соответственно в верхней половине кристалла действуют сжимающие напряжения, а в нижней – растягивающие. Отрицательная дислокация соответствует случаю, когда верхняя половина кристалла растянута, а нижняя – сжата. Положительная и отрицательная дислокации отличаются поворотом на 180°, поэтому если дислокация одна, то нет смысла говорить о её знаке, т.е. знак существует, если рядом есть другая дислокация. Причём одноименные дислокации – отталкиваются, а разноимённые – притягиваются. Под действием внешнего напряжения дислокации в кристалле могут двигаться, причём разноимённые дислокации под действием одного и того же внешнего напряжения движутся в разные стороны. Разноимённые дислокации, такие как на рисунке выше, при встрече взаимно уничтожаются – аннигилируются, в результате чего восстанавливается целостность решётки.

На рисунке показан кристалл, на которой действует сдвигающее напряжение. Верхняя половина кристалла сдвигается относительно нижней по плоскости скольжения. Граница сдвига АВ, отделяющая сдвинутую область относительно не сдвинутой и есть линия краевой дислокации, перпендикулярная вектору сдвига.