Дегтяренко Свойства дефектов и их ансамблей, радиационная 2011

SK= Дислокации= –= неравновесный тип дефектаI= т.еK= их появление= обусловлено предысторией образца и связано либо с ростом J кри сталлитаI=либо с действием внешних нагрузок или воздействийK=РазJ личают несколько типов дислокацийW= краевыеI= винтовыеI= смешанJ ные= (рисKNKPFK= Их скопления часто формируют межзеренные граниJ

цыK==

=

РисKNKO==Картина зерен в поликристалле=

=

TK= Статические смещения решетки вблизи дефектаW= в окрестJ

ности дефекта можно выделить область с сильным возмущением= решеткиK=Такая деформация характерна для дефектов типов=O¸SK=ОдJ нако кристалл искажается и на больших расстоянияхK= Искажения= первой координационной сферы составляют менее=NMB=межатомноJ го расстоянияK=Дальнее поле дефектов может быть определено метоJ дами теории упругостиI=поле вблизи дефекта определяется из решеJ ния уравнений равновесия кристаллической структурыK==

Характер влияния дефектов на свойства реального твердого= тела во многом определяется размерностью дефектаK=В зависимости= от размерности различают следующие типы дефектовW=

fK Точечные дефекты=EпK=OI=PFK= ffK Линейные дефекты=EпK=SFK= fffK Плоские дефекты=EпK=QI=RFK=

Приведем примеры различных типов дефектовK=

=

NN=

=

=

=

=

=

а===============================================б=

====== в===============================================г=

= РисKNKPK=Дислокации различных типовW= а=–=выход краевой дислокации на границуX= б=–=винтовая дислокация роста кристаллаX= в=–=скопление дислокаций на межзеренных границаX= г=–=сетка дислокаций=

=

=

1.1.1.Междоузлие

Видеальной структуре какого-либо типа атом занимает поJ ложениеI= соответствующее узлу решеткиK= = Лишний атомI= для котоJ рого нет соответствующего узлаI= занимает междоузельное положеJ

ниеK= Таких положений может быть для структуры несколькоK=

NO=

=

НапримерI=на рисKNKQ=представлены четыре типа междоузельных поJ ложений для атома углеродаK=

=

=

РисKNKQK= Различные виды междоузельных атомов углерода =в решетке алмазаW =а= – =тетраэдрическое= TX = =б= – =гексагональное= eX =в= – = междоузлие посредине связи=jX=г=–=расщепленное междоузлие==EганJ

тель==YNMM[F=

=

Для упрощения рассмотрим плоскую квадратную решеткуI= содержащую междоузельный атомK=

На рисKNKRIа= = величина смещений и их направления показыJ ваютI= куда сдвинутся атомы ближайшего окружения по отношению= к их положению в идеальной решеткеK==

На рис= NKRIб= = показан другой междоузельный дефект= – =ганJ тельK =Этот тип дефектов возникает тогдаI =когда из-за наличия межJ доузельного атома один из ближайших атомов в узле кристалла= сильно смещается из положения равновесия и разделяет узел с лишJ ним атомомK=Такая конфигурация была предсказана в компьютерных= расчетах и открыта при ультразвуковых исследованияхK==

=

NP=

=

=

РисKNKRK =Два типа междоузельных атомов для плоской квадJ ратной решетки=

=

1.1.O. Вакансии в ковалентных соединениях

Отсутствие атома в узле решетки создает точечный дефект = типа вакансии=EрисK=NKSFK==

Картина смещений отличается от смещений для междоузельJ ных атомов направлениемI=обычно ближайшее окружение смещается= к пустому узлуK=

=

=== а===========================================б=

РисKNKSK=Конфигурация вакансии=EаF=и дивакансии=EбF=в алмазе=

=

В соединениях ионного типа вакансии образуются парамиI= что является энергетически более выгодной конфигурацией для данJ

NQ=

=

ной структуры= Eдефект ШотткиFK= Сказывается необходимость соJ блюдения нейтральностиK= Такой тип дефектов проявляются тем заJ метнееI=чем выше ионность связиI=например в=k~ClK=Отметим такжеI= что в ВТСП типа= v_~OCuPlT также наблюдается частично ионная= связьK=

=

этом число частиц в системе не изменяется=EрисKNKTFK=ДействительноI= простое удаление атома из узла решетки кристалла на бесконечность= изменяет число частиц в системе и для расчета термодинамического= потенциала системы потребуется учитывать этот фактK=

=

РисK= NKTK= Перенос атома из узла на поверхность в плоской= квадратной решетке и образование вакансии=

=

NR=

=

В окрестности образовавшейся вакансии будет происходить= релаксация атомов=EрисKNKTFK=Будем считатьI=что два атома вещества= взаимодействуют друг с другом посредством парного потенциала= взаимодействия= jEoFI= который не зависит от окружения атомовK= Энергия атомаI= находящегося в узле кристаллаI= равна= bузлZzNjEoGFI= где число ближайших соседей порядка= zN= »=S=J=8I=oG= –== равновесное= межатомное расстояниеI= оценка потенциала может быть сделанаI= напримерI= из энергии сублимации веществаI=что дает= jEoGF ≈= MKO =÷ = MKP=эВK=Таким образомI=величина энергии атома в узле решетки равна===

bузл==~=NKS=÷=OKQ=эВK=Такая энергия должна быть затрачена на разрыв= связей при образовании вакансииK= Однако вынутый атом= размещается на поверхностиI= следовательноI= можно считатьI= что= половина разорванных связей восстанавливаетсяK= Энергия атомаI= находящегося на поверхности равна= bповZzNLOjEoGFK=Таким образомI=

величина=энергии формирования вакансии bvf ≈=MK8=÷=NKO=эВK=

Рассмотрим= миграцию вакансийK =Чтобы атом А= “перепрыгJ нул≤= на пустой узелI= в котором расположена вакансияI= казалось бы= ему не нужно преодолевать барьерI =но это не так= – =надо разорвать=

связи=EрисKNK8FK=

=

РисKNK8K= Перенос атома в соседний пустой узел= = в плоской= квадратной решетке=

=

Кроме тогоI=вдоль траектории миграции вакансии=Eили атома= АF= возникает энергетический барьер= Eэнергетическая линзаFI= создаJ

NS=

=

ваемый ближайшими атомамиK=Это наиболее наглядно видно в трехJ мерном кристалле= EрисKNKVFK= Число ближайших соседей в сечении= A_Ca =обычно меньшеI =чем в узлеI =zO= Z =QI =Если предполагатьI =что= парный потенциал меняется слабоI=то величину энергетического баJ рьера для миграции вакансии можно оценить как= bsm ≈=MK8=÷=N=эВK=

Рассмотрим теперь вопрос о= дилатационном объеме ваканJ

сии на примере вакансии в квадратной решетке=EрисK=NKNMFK=Пусть ωM= –=объемI=приходящийся на один атом твердого телаK=

=

=

РисKNKVK= Формирование энергетического барьера при миграJ ции атома в пустой узел=

=

При образовании вакансии поверхность за счет релаксации= исказитсяI= и объем кристалла= s= изменитсяK= Оценки дают примерно=

ds (N) = -MKNwM K=Такая величины была получена на основе результаJ

тов дилатационных экспериментовI=связанных с введением в образец= множества вакансийK=ОтметимI=что в матрицеI=окружающей область= образования вакансииI=происходит некоторое увеличение плотности= вещества за счет релаксацииK=

=

NT=

=

=

РисK=NKNMK=Схематическая картина смещений вблизи вакансии=

=

В рассмотренном выше механизме образования вакансии= атом выходит на поверхностьK=Связанное с этим дополнительное изJ менение объема составляет= ds * = ds (2) = wM K= Таким образомI= сумJ

марное изменение объема кристалла равно= ds (N) + ds (2) = +MKVwM K=

=

1.1.4. Междоузлия в простых веществах и их характеристики

При образовании междоузлия для тогоI=чтобы сохранить вид=

мального сближения междоузельного атома с ближайшими соседяJ

(

миK= При этомI= R Y R* – = =равновесного расстояния в решеткеI =т.еK =поJ тенциальная энергия парного взаимодействия большеK= Положение= равновесия междоузельного атома определяется равновесием сил=

N8=

=

всех взаимодействующих парK= Число соседей определяется типом= междоузлийK= Как показывает экспериментI= обычно для наиболее= представительного типа междоузлий энергия образования составляет=

цессах междоузельные дефекты второго типа могут рождаться и при=

факт обусловлен темI=чтоI=как следует из численных расчетовI=харакJ терное расстояние равновесия до ближайших соседей для междоJ узельного атома порядка тех расстоянийI=на которых междоузельный= атом преодолевает энергетический барьер при прохождении линзы= (рисKNKVFK= Число же ближайших соседей= zf= »= ziI= т.еK= высота барьера= для миграции междоузельного атома должна быть малаK=

Рассмотрим вопрос о дилатационном объеме междоузлияK= Как показывают дилатационные экспериментыI= при образовании= междоузельного дефекта происходит увеличение объема кристаллаK= Величина изменения объемаI=приходящаяся на один междоузельный= атом= ds (N) = +MKNwM K= При образовании междоузлия твердое тело=

немного=…распухает»=EрисKNKNOFK=

Как и в случае с вакансиейI=при образовании междоузельного= атома в матрице и соответственно при его исчезновении на поверхJ ностиI= дополнительное изменение объема образца составляет= ds (2) = -wM K= Таким образомI= суммарное изменение объема кристалJ

ла равно= ds (N) + ds (2) = -MKVwM K=

=

NV=

=

=

РисKNKNNK=Шесть конфигураций междоузельного атома в=aJceW==

а= – =fN-гантель= YNMM[X= б= – =fO= Jгантель== YNNM[X= в= – =fP-краудионX= г= – =fQJ

смещенный краудионX=д=–=fR-октаэдрический междоузельный атомX=е= –=fS-тетраэдрический междоузельный атом=

=

=

РисKNKNOK=Схематическая картина смещений при образовании= междоузельного атома в плоской квадратной решетке=

=

=

OM=

=