79

Диффузионное горение монокристалла цинка

ВМоскве, в Институте кристаллографии, с помощью электронного микроскопа исследовали структуру монокристалла цинка. От массивного кристалла откалывались тонкие пластинки, которые затем еще более утонялись с помощью специальных травителей. Утонялись настолько, чтобы электронный пучок мог проходить сквозь пластинку, обнаруживая при этом дефекты ее строения. В этих опытах было замечено, что в монокристальных пластинках цинка имеются дефекты, называемые дислокационными кольцами, т. в. замкнутые дислокационные линии.

О строении и свойствах дислокационного кольца можно рассказать, пользуясь представлением об обычной линейной дислокации либо об одиночной изолированной поре. Оно имеет черты сходства и с одним, и с другим типом дефектов.

Дислокационное кольцо, которое наблюдалось в монокристальных цинковых пластинках, очерчивает контур оборванной атомной плоскости и, следовательно, ограничивает замкнутую область, в которой отсутствует часть этой плоскости. Легко понять, что, поглощая вакансии, такое кольцо будет диффузионно перемещаться, расширяясь. Расширение до размеров образца означает исчезновение одной атомной плоскости. Испуская вакансии, или, что то же, поглощая атомы и достраивая оборванную плоскость, дислокационное кольцо будет стягиваться. Этот процесс происходит диффузионно. Стянувшись в точку, т. е. полностью достроив плоскость, кольцо исчезнет. С диффузионным движением дислокационной линии, происходящим вследствие поглощения или испускания вакансий, мы уже встречались, обсуждая роль дислокации в ползучести кристаллов.

Несколько фраз о чертах сходства между дислокационным кольцом и порой. Можно утверждать: дислокационное кольцо — подобие двумерной поры. Поверхность обычной поры ограничивает трехмерную область, в которой нет атомов; пора исчезнет, поглотив нужное количество атомов. Замкнутое дислокационное кольцо обсуждаемого типа ограничивает двумерную область, которая, подобно поре, исчезнет, поглотив атомы в количестве, необходимом для достройки плоскости области, ограниченной кольцом. И, подобно поверхности поры, вблизи дислокационного кольца концентрация вакансий повышена, следовательно, подобно поре, которая стремиться уменьшиться в объеме, отдавая вакансии в кристалл, кольцо стремится стянуться в точку. Разумеется, и пора, и дислокационное кольцо могут осуществить свое «стремление», если по какой-либо причине к ним не направлен поток вакансий.

А теперь о диффузионном горении. Московские кристаллофизики обратили внимание на то, что дислокационные кольца в монокристальных пластинках цинка живут очень долго, существенно дольше, чем им полагалось бы жить, если бы их стремлению стянуться в точку

иисчезнуть ничего не мешало. Исследователи подсчитали, что петли, радиус которых R~10-4 см, при комнатной температуре должны были бы исчезнуть часов за десять, а они живут десятки суток. Иногда не просто живут, а увеличиваются в размерена рядом со старыми петлями появляются и растут новые.

Возникла цепь рассуждений и догадок. Повышенная жизнестойкость и рост колец означают, что в пластинках имеются избыточные вакансии. Появиться они могут лишь вследствие ухода атомов цинка. Уходить же из пластинки атомы цинка могут, диффундируя в пленку окисла, которой покрыты поверхности цинковой пластинки. Выйдя на поверхность, цинк окисляется, сгорает. Диффузия цинка из пластинки через пленку окисла к ее поверхности и сгорание на ней происходят потому, что это термодинамически выгодно, так как в конечном счете сопровождается выделением энергии. Цинк — горючее, стремящееся к кислороду. Этот процесс должен приводить вот к каким следствиям: в цинке возникают избыточные вакансии, поглощаемые дислокационными кольцами; кольца расширяются и «съедают» атомные плоскости, цинковая пластинка утоняется, а толщина пленки окислов на ней растет.

Впроцессе окисления пленка на поверхности цинкового кристалла представляет собой раствор атомов цинка в его окисле. В этом растворе атомы цинка диффундируют то междоузлиям в решетке.

Основываясь на цепи приведенных догадок и рассуждений, т. е. считая, что