книги из ГПНТБ / Лодиз, Р. Рост монокристаллов

дислокации. Такая граница, как уже отмечалось, может быть следствием скопления дислокаций, а если углы между грани­ цами зерен достаточно велики, то образуется поликристалл. Та­ ким образом, можно говорить о непрерывности перехода по степени уменьшения порядка от идеального совершенного кри­ сталла к поликристаллическому материалу. О генезисе дислока­ ций и их роли при выращивании кристаллов говорится в гл. 3.

Подобным же образом может существовать последователь­ ность упорядоченных состояний от совершенного кристалла до стекла. Если обратиться, например, к расстекловыванию, то по мере протекания этого процесса дальний порядок возрастает до

тех пор, пока образующееся твердое вещество не станет явно кристаллическим. Частично упорядоченные стекла, такие, как пирокерамика, в которых степень упорядочения регулируют до­ бавлением зародышеобразующих катализаторов или управляе­ мой термической обработкой, стали важной статьей промышлен­ ной продукции.

Двойники

Важную роль в кристаллах играют еще два типа несовер­ шенств — двойники и дефекты упаковки. «Составные» кристал­ лы, в которых отдельные части связаны друг с другом опреде­ ленным кристаллографическим образом, называют сдвойникованными кристаллами. Двойниковые кристаллы называют про­

кристалла встречаются вдоль определенной плоскости, называе­ мой плоскостью сопряжения. В некоторых случаях два индиви­ дуальных кристалла связаны отражением в плоскости решетки, общей для обоих кристаллов. Такую плоскость называют пло­ скостью двойникования, причем она может совпадать или не со­ впадать с плоскостью сопряжения.

В полисинтетических двойниках картина двойникования по­ вторяется, а плоскостей двойникования имеется несколько. Если

сти разной ориентации, связанные двойниковыми отношениями, а

Двойниковые кристаллы можно классифицировать по спо­ собу их образования. Двойники, образовавшиеся в процессе выращивания, называют двойниками роста. Двойники могут воз­ никать и при механической деформации, например при скольже­ нии одной части кристалла кальцита или нитрата натрия относи­ тельно другой по плоскости скольжения.

Если вещество данного химического состава может существо­ вать в разных модификациях, то такие структурные модифика­ ции называют полиморфами. Если полиморфные модификации являются зеркальным отражением друг друга, то их называют энантиоморфами. Каждая полиморфная модификация стабильна при определенных условиях. У пары полиморфных модификаций данного вещества в координатах давление — температура обыч­ но есть линия, вдоль которой они сосуществуют; при переходе через эту линию одна модификация превращается в другую.

При переходе а-кварца в |3-кварц превращение обычно начинает­ ся во многих центрах. На фиг. 1.12 показана [31] проекция атомов кремния на плоскость (0001) для низкотемпературного а-кварца (а), высокотемпературного р-кварца (б) и возможного

станет двойникование с плоскостью двойникования АВ, на кото­ рой встречаются растущие участки. Такой двойник, на ориента­ цию которого влияет структура материала, из которого он образуется, называют дофинейским двойником. В кварце двой­ никование по дофинейскому закону называют электрическим двойникованием, поскольку оно сопровождается изменением пьезоэлектрических свойств. Двойники повернуты друг относи­ тельно друга на 180° вокруг одного из направлений (0001). Оси кристаллов параллельны, но полярность электрических осей обратная. Дофинейское двоййикование не влияет на оптические свойства кварца.

ки можно выявить в поляризованном свете (оптическое двойникование влияет и на электрические свойства кварца). При опти­

{1120}. Кристаллические оси снова параллельны, но электри­ ческая полярность имеет обратный знак, а поляризованный свет вращается в двух областях в противоположных направлениях.

Ф и г . 1.12. а-кварц (а), р-кварц (б) и дофинейский двойник (в) [31].

Двойникование, которое можно выявить изменением направле­ ния электрического поля, называют электрическим двойникова­ нием, тогда как двойникование, обнаруживаемое при изучении в скрещенных поляроидах, называют оптическим двойникованием. Кристаллы, у которых отсутствует центр симметрии, являются пьезоэлектрическими. У большинства пьезоэлектрических кри­ сталлов наблюдается электрическое двойникование, а у других кристаллов без центра симметрии возникает оптическое двойни­ кование.

Дефекты упаковки

Кристаллические структуры можно построить хотя бы умо­ зрительно укладкой слоев. Существует ряд несовершенств, ко­ торые возникают в кристаллах той или иной симметрии при нарушении порядка укладки слоев. Полиморфные модификации карбида кремния можно мыслить себе как стопки двойных слоев атомов кремния и углерода, уложенных в разной последователь­ ности. Такие двойные слои состоят из плотноупакованного слоя гексагональной симметрии атомов кремния и слоя уложенных непосредственно над ними атомов углерода. Эти слои можно уложить друг на друга в трех разных ориентациях, обозначае-

34 Р . Л 0 Д И З . Р О С Т М О Н О К Р И С Т А Л Л О В

тонкая прослойка материала одной структуры между слоями материала другой структуры. Например, в кубических кристал­

в кубическом кристалле ZnS. Часто дефекты упаковки встре­

Если такие слои имеют макроскопическую толщину, то, изу­ чая форму или морфологию кристалла, можно обнаружить сра­ стание двух типов, причем для каждой области будет харак­ терна морфология, присущая политипу в данной области. В не­ которых кристаллах углы между гранями превосходят 180° (входящие углы) и больше углов между гранями в смежных политипных областях. Для описания срастания политипных ве­ ществ иногда пользуются прилагательным «синтактное».

Мы уже говорили выше о плоскостях двойникования. Можно характеризовать такую плоскость соответствующим дефектом упаковки. В сфалерите это будет АВС\СВА, где вертикальной черточкой обозначена плоскость двойникования.

принадлежат ли они к слегка разориентированным граням с

данные рентгенографических исследований [36—38] свидетель­ ствуют о том, что такие грани не являются плоскостями с ма­ лыми индексами, однако такие данные нельзя признать исчер­ пывающими. Не исключено, что полное объяснение будет най­ дено при изучении малоугловых межзеренных границ.

Другие несовершенства

Когда атомы растворяются в кристаллической решетке с об­ разованием твердого раствора, они либо хаотично замещают атомы в узлах решетки, либо хаотично внедряются в ее междо­ узлия, либо же размещаются в решетке тем или иным упоря-

использование двух кристаллов. Характеристическое рентгенов­ ское излучение отражается под брэгговским углом от опорного кристалла к исследуемому образцу (фиг. 1.14). Отражающие плоскости исследуемого кристалла обычно устанавливают па­ раллельно плоскостям опорного кристалла.

Если интенсивность отражения представить как функцию «угла качания» 0, то получим кривую, подобную показанной на фиг. 1.14. Мерой совершенства служит ширина пика. Этим спо­ собом пользовались для ис-

Исследуемый кристалл следования а-кварца, крем­ ния, вольфрама и других материалов [37, 42, 43].

Практически метод Шульца, вероятно, является простейшим рентгеновским методом изучения совершенства, поскольку он не требует очень сложной аппаратуры, обходится без специ­ ального ориентирования кристалла, а длительность экспозиции

дислокации проявляются в виде более темных участков, потому что область вокруг дислокаций деформирована, а деформиро­ ванные участки сильнее отражают рентгеновские лучи.

4. Метод прямого прохождения (дифракции) по Бергу — Баррету. В данном случае дифрагировавший пучок проходит через кристалл, а участки с дислокациями проявляются на плен­ ке в виде темных пятен, поскольку дифракция в таких областях выражена сильнее (фиг. 1.17).

^Пленка

Отраженный Коллимированный 1\учок \

рентгеновский пучок

. . . . ! 1

5. Метод аномального прохождения (по Борману). В иссле­ дованиях данным методом регистрируют как проходящий, так и отраженный пучки. Участки с дислокациями сильнее ослаб­ ляют оба пучка (фиг. 1.18).

6. Метод Лэнга. Для исследований по методу Лэнга требу­ ется такая же в общих чертах экспериментальная установка, как и при исследованиях методом прямого прохождения по Бергу — Баррету. Сильно коллимированный узкий пучок рент­ геновских лучей пропускают через кристалл, регистрируя на

пленке брэгговские отражения от параллельных плоскостей, приблизительно перпендикулярных грани образца. Перемещая одновременно пленку и образец, можно снять полную «карту» дислокационной сетки. Дислокации выявляются как области с повышенной отражающей способностью из-за обусловленного ими перераспределения энергии между многократно отражен­ ными первичным и продифрагировавшим пучками. В итоге на пленке возникает темное изображение дислокаций. Изменяя должным образом угловую ориентацию кристалла, можно опре­ делить дислокационную сетку в трех измерениях.

Отраженный

пучок

Коллимированный пучок монохромати­

ческого рентгеновского излучения

Исследуемый

кристалл

Ф и г . 1.18. Метод аномального прохождения по Борману [43].

7. Измерение периодов решетки. Многие виды несо­ вершенств в кристалле изменяют периоды решетки в его микро­ скопических областях. Такие изменения периодов можно легко определить по методу Бонда [13], позволяющему измерить меж­ плоскостные расстояния с точностью до нескольких десяти­ тысячных долей процента. Поскольку объем, в котором излуче­ ние дифрагирует, очень мал (1X0,025X0,005 мм), можно ис­ следовать изменение периодов решетки от точки к точке и гем самым изучать стехиометрические вариации в кристалле [14].

8. Рентгеновский интерферометр. Самым чувствительным средством обнаружения малых нарушений в макрообластях кристалла служит недавно созданный рентгеновский интерферо­ метр [45].

С помощью двукристального спектрометра и рентгеновского интерферометра можно выявить разориентации порядка 0,01 угловой секунды, тогда как метод Шульца пригоден для иссле­ дования малоугловых границ зерен и разориентации в диапазоне от нескольких минут до нескольких градусов. Исследования ме­ тодами обратного и прямого прохождения по Бергу—Баррету, аномального прохождения по Борману, а также по методу Лэнга в сочетании с рентгеновской интерферометрией проводят для составления «карт» дислокационных сеток и даже для исследо-