Радиационные дефекты

Точечные дефекты, возникающие при облучении кристаллов быстрыми частицами (нейтронами, протонами, электронами), а также осколками деления ядер и ускоренными ионами, получили название радиационных дефектов. Эти дефекты термодинамически неравновесны, так что после прекращения облучения состояние кристалла не является стационарным.

Рассмотрим механизм возникновения радиационных дефектов при облучении кристаллов нейтральными и заряженными частицами. Прохождение частиц через кристалл сопровождается сложными процессами, среди которых основными являются:

- упругие столкновения быстрых частиц с атомами кристалла;

- возбуждение электронных оболочек атомов кристалла;

- ядерные превращения - переход части атомов в кристалле в радиоактивное состояние и превращение их после радиоактивного перехода в примесные центры.

Для возникновения радиационных дефектов наибольшее значение имеют упругие столкновения быстрых частиц с атомами кристалла. Если энергия, переданная в результате столкновения, превышает некоторое значение, то атом, выбитый из узла решётки, оставляет вакансию и движется через кристалл. Наименьшее значение энергии , которую необходимо передать одному из атомов кристалла, чтобы он оказался в ближайшей междоузельной позиции, называют пороговой энергией. Если энергия, переданная атому быстрой частицей, меньше , то смещения не происходит, а возникают лишь упругие волны, энергия которых переходит в энергию теплового движения атомов. Для большинства кристаллов 25 эВ (для сравнения, энергия связи кристаллов 10 эВ). Каждый атом кристалла, получивший от быстрой частицы энергию Е > , может сместиться в междоузлие, в результате чего одновременно возникает вакансия и атом в междоузлии. При этом если значение энергии смещённых атомов, называемых атомами отдачи, значительно превышает , то эти первичные атомы отдачи создают в свою очередь вторичные атомы отдачи и т.д., до тех пор, пока энергия смещённых атомов не приблизится к пороговому значению . Возникает каскад атомных смещений.

Таким образом, радиационные точечные дефекты всегда парные, т.е., это дефекты по Френкелю.

Вдоль пути движущейся частицы образуется сильно разупорядоченная область, размеры и форма этой области зависят от энергии, массы и природы бомбардирующей частицы, массы атомов мишени, её температуры и структуры кристалла.

Дислокации

Рассмотрим резиновый цилиндр . Разрежем его вдоль плоскости S, сместим края разреза и склеим. Линию ОО', отделяющую область, где сдвиг произошёл, от области, где сдвига не произошло, называют дислокацией (рис.1).

Рис.1.

Аналогичные дефекты могут существовать и в кристаллах. В отличие от классической упругой среды, где относительные смещения края разреза могут быть любыми, в кристаллах дискретность структуры и анизотропия накладывают ограничения на характер возможных смещений . Допускаются только такие смещения, которые соответствуют свойствам кристаллической решётки.

Рассмотрим дислокацию ОО', которая возникает в результате сдвига части кристалла на одно межатомное расстояние. Покажем расположение атомов в плоскости, перпендикулярной линии дислокации. На n атомных плоскостей, расположенных ниже плоскости скольжения, приходится n+1 плоскостей выше плоскости скольжения (рис.2).

Рис.2.

Дислокация ОО', представляющая собой часть край лишней полуплоскости MNO'O, называется краевой. Краевая дислокация перпендикулярна вектору сдвига. Можно представить, как образуется краевая дислокация, если вставить дополнительную плоскость MNO'O между плоскостями идеального кристалла.

Винтовая дислокация показана на рисунке 3. Линия дислокации ОО', отделяющая область, где сдвиг произошёл, от области, где сдвига нет, здесь не перпендикулярна, а параллельна вектору сдвига. Кристалл в этом случае можно представить состоящим из одной атомной плоскости, закрученной вокруг дислокации ОО', как винтовая лестница (рис.3.а) .

Рис.3.

Рассмотрим случай, когда зона сдвига ограничена внутри кристалла не прямой линией, а произвольной кривой. Линия ОО' - криволинейная дислокация. В точке О дислокация параллельна вектору сдвига (рис.3.б) и, следовательно, имеет винтовой характер. В точке О' линия дислокации перпендикулярна вектору сдвига, т.е., имеет краевую ориентацию, такие дислокации называются смешанными.

Для обозначения дислокации применяют символ " ". В случае краевой дислокации "ножка" этого символа направлена в сторону расположения избыточного материала.

Контур и вектор Бюргерса

Одой из важнейших характеристик дислокации является вектор смещения - вектор Бюргерса . Рассмотрим две кристаллические решётки- одну реальную, другую- идеальную, не содержащую дефектов и искажений. Если искажения в данном кристалле вызваны только упругими деформациями, тепловыми колебаниями атомов и т.д., то, несмотря на нарушения структуры, можно безошибочно сказать, к каким узлам решётки идеального кристалла относятся соответствующие атомы реального кристалла. Любую область реального кристалла, где можно установить взаимно однозначные соответствия с идеальным кристаллом, называют областью хорошего кристалла. Участки, где такое соответствие установить нельзя, называют областью плохого кристалла.

Контуром Бюргерса называют замкнутый контур произвольной формы, построенный в реальном кристалле так, что, переходя последовательно от атома к атому, не выходят из области хорошего кристалла. Устанавливая взаимно однозначные соответствия между точками контура в реальном кристалле и соответствующими точками в идеальном кристалле, мы можем построить аналогичный контур в идеальной решётке. Если в реальном кристалле контур проведён вокруг дислокации, то соответствующий контур в реальном кристалле окажется разомкнутым. Чтобы замкнуть этот контур, его необходимо дополнить вектором , называется вектором Бюргерса. Направление вектора Бюргерса определяется следующими условиями:

1) Если положительное направление дислокации выбрано произвольно, то обход контура Бюргерса определяется по правилу правого винта.

2) Вектор Бюргерса направлен от конечной точки "В" к начальной точке "А". На рисунке 4 за положительное направление принято направление единичного вектора , касательного к линии дислокации и направленного за плоскость листа.

Рис.4.

Дислокация является границей области пластического сдвига в кристалле, поэтому вектор Бюргерса – это вектор сдвига. Вектор Бюргерса краевой дислокации перпендикулярен линии дислокации, а винтовой - параллелен линии дислокации.

Движение дислокации в кристалле может осуществляться двумя способами: скольжением и переползанием.

В первом случае вектор лежит в плоскости перемещения дислокации, плоскость движения называется плоскостью скольжения. Движение осуществляется за счёт небольшой перестройки атомов вблизи линии дислокации (в плохом материале). Скольжение не сопровождается переносом массы.

Во втором случае вектор не лежит в плоскости перемещения дислокации, и движущаяся дислокация оставляет за собой либо вакансии, либо междоузельные атомы. Такое движение дислокации обязательно сопровождается переносом вещества в этой плоскости за счёт диффузии атомов и называется переползанием, т.к. при движении дислокация переползает из своей истиной плоскости скольжения.

Внутри кристалла есть источники дислокаций. Рассмотрим механизм Франка-Рида размножения дислокаций (рис.5). Линия АВ - это краевая дислокация с закреплёнными концами. Отрезок АВ, расположенный в плоскости скольжения, является источником неограниченного числа дислокаций. Под действием внешнего напряжения τ дислокация начинает выгибаться в плоское скольжение и занимает положение 1 (если бы концы отрезка были свободными, то дислокация стала бы двигаться путём

Рис.5.

скольжения).

Постепенное выгибание дислокации может происходить лишь при непрерывно возрастающем напряжения τ, которое достигает максимального значения в момент, когда дислокации принимает форму полуокружности. Это напряжение - критическое. При τ > τ_кр конфигурация становится нестабильной, и дислокация самопроизвольно расширяется, занимая положения 2,3,4, и разделяется на две - внешнюю и внутреннюю. Внешняя дислокация разрастается до поверхности кристалла, а внутренняя занимает исходное состояние. Образование новых дислокаций продолжается до тех пор, пока приложено напряжение.

Дефекты упаковки и частичные дислокации

Дефекты упаковки, границы зёрен и двойников, границы доменов, поверхность кристалла относятся к двухмерным дефектам.

Дефекты упаковки связаны с частичными или неполными дислокациями. Дислокации, рассмотренные выше, называют совершенными, полными или единичными.

Образовать частичную дислокацию можно, сделав разрез в кристалле по поверхности кристалла, сместив края разреза на вектор . Если вектор меньше постоянной решётки (расстояния между узлами решётки), то наблюдается несовпадение решёток по обе стороны поверхности надреза. Край поверхности несовпадения называют частичной дислокацией ( при образовании единичной дислокации решётки с обеих сторон совпадают). Частичные дислокации имеют место в плотно упакованных кристаллах.

Рассмотрим гранецентрированную кубическую решётку (ГЦК). Её структуру можно представить как серию плотно упакованных плоскостей, уложенных друг на друга. Это плоскости (1, 1, 1) на рис.6 . Пусть А, В, С, D, Е… - атомы, лежащие в параллельных плоскостях (1,1,1). В проекции на одну из плоскостей (1,1,1) атомы D совпадут с атомами А, атомы Е- с атомами В и т.д., т.е. всю последовательность плотно упакованных плоскостей можно записать так: АВСАВС… .

Рис.6.

Если произвести сдвиг верхнего слоя атомов в одной из плоскостей (1,1,1) на расстояние АА, то атомы вышележащей плоскости попадут из лунки А снова в лунку А; т.е. после смещения структура вдоль плоскости скольжения восстанавливается.

Если же произвести сдвиг верхней плоскости на b₂ или b₃, то атомы из лунки А попадут в лунку С или из С в А. При этом нарушается порядок чередования плоскостей (1,1,1). Вместо обычной последовательности АВСАВС… возникает последовательность …АВСАВАВСАВС… . Таким образом, в ГЦК- структуре возникает тонкая прослойка гексагональной плотной упаковки ГПУ. Это и есть дефект упаковки. Края дефекта упаковки представляют собой частичные дислокации.

В ГЦК - решётке дефекты упаковки можно образовать также, удалив только упакованный слой за счёт диффузии вакансий на этот слой, а затем сомкнуть соседние слои. Так, после удаления слоя В, последовательность будет …АВСАСАВС…; такой дефект называют дефектом упаковки вычитания.

Если в результате диффузии междоузельных атомов ввели лишний слой в промежуток между соседними слоями тогда, например, при введении слоя В сформируется установка …АВСВАВС… это дефект установки внедрения.