8.6. Миграция точечных дефектов

8.6.1.Миграция вакансий

Атомы, совершающие колебательное движение, непрерывно обмениваются энергией. Из-за хаотичности теплового движения энергия неравномерно распределена между разными атомами. В какой-то момент атом может получить от соседей такой избыток энергии, что он займет соседнее положение в решетке, если оно свободно. Так осуществляется миграция (перемещение) вакансий в объеме кристаллов.

Рис. 8.4. Перемещение атома на вакантное место в слое плотнейшей упаковки

Если один из атомов, окружающих вакансию, переместится в вакантный узел, то вакансия соответственно переместится на его место. Последовательные элементарные акты перемещения определенной вакансии осуществляются разными атомами. На рис. 8.4 показано, что в слое плотноупакованных шаров (атомов) для перемещения одного из шаров в вакантное место он должен несколько раздвинуть шары 1 и 2 (или должен сжаться сам). В г. ц. к. решетке для перемещения атома из центра передней грани в вакантный узел, находящийся в центре боковой грани, необходимо несколько раздвинуть четыре других атома, показанных на рис. 8.5 штриховкой и являющихся общими соседями, равноудаленными от вакантного узла. «Протискивание» между четырьмя соседями необходимо для перехода любого из атомов в вакантный узел в г. ц. к. решетке. Следовательно, для перехода из положения в узле, где энергия атома минимальна, в соседний вакантный узел, где энергия также минимальна, атом должен пройти через состояние с повышенной потенциальной энергией, преодолеть энергетический барьер (рис. 8.6).

Рис. 8.5. Перемещение атома в вакантный узел (v) в г. ц. к. решетке

Для этого и необходимо атому получить от соседей избыток энергии, который он теряет, «протискиваясь» в новое положение. Высота энергетического барьера Е_м (см. рис. 8.6) называется энергией миграции вакансии, а точнее — энергией активации миграции вакансии. При передвижении атома в вакантный узел смещение соседних атомов невелико и энергия миграции вакансии относительно небольшая.

В г. ц. к. металлах перевальное положение, соответствующее максимуму свободной энергии, является серединой пути при смещении атома, движущегося к вакансии.

Рис. 8.6. Изменение энергии атома при перемещении его в вакантный узел

Частота перескоков в новое положение, совершаемых дефектом

в 1 сек. :

Г = v₀ exp (S_м/k ) exp (-E_м/kT), (8.1)

где v₀ — частота колебаний в направлении перевальной точки, т. е. «частота попыток» перехода в соседний узел (~10¹³ с^-1); S_м и Е_м — энтропия и энергия активации миграции вакансий.

В случаях, когда вакансионный механизм диффузии — главный, коэффициент самодиффузии пропорционален концентрации и подвижности вакансий, а энергия активации самодиффузии Е_д равна сумме энергий образования и миграции вакансий:

Е_д =Е₀ + Е_м. (8.2)

8.6.2. Миграция межузельных атомов

Механизм миграции гантельной конфигурации межузельного атома из исходного положения /—2 в новое положение 5—6 показан на (рис. 8.7).

-

Рис. 8.7. Миграция гантели <100> из положения 1—2 в положение 5—6 в г.ц.к. решетке

В миграции гантели в соседнее положение участвуют три атома: атомы / и 2 исходной гантельной конфигурации и атом из исходного нормального положения в узле 3. Гантельный атом /смещается в ближайший узел решетки 4, а атомы 2 и 3— в положения 5 и 6, свойственные новой гантели. При этом ось гантели <100> в г. ц. к. решетке поворачивается на 90°.

Краудионная конфигурация межузельного атома должна легко передвигаться вдоль оси краудиона путем эстафетных перемещений атомов.

Расчеты показали, что энергия активации миграции гантели в г. ц. к. металлах по механизму, изображенному на (рис. 8.14), составляет около 0,1 эВ. Экспериментальные значения находятся в интервале от 0,01 (Pb) до 0,15 эВ(Ni). Эти величины намного меньше энергии активации миграции вакансий. В о. ц. к. металлах положение аналогичное.

Следует подчеркнуть, что гантели очень подвижны даже при температурах ниже 100 К, когда подвижность вакансий резко уменьшена. Но это совсем не означает, что в процессах самодиффузии, т. е. перемещения атомов металла в своей решетке, основным является механизм миграции межузельных атомов. Из-за высокой энергии образования межузельных атомов их равновесная концентрация несоизмеримо мала по сравнению с равновесной концентрацией вакансий, которые и играют главную роль в процессах самодиффузии, особенно при температурах выше комнатной.