Дислокации в кристаллах и их виды

 

Проблема исследования процессов дефектообразования и влияние дефектов на физико-химические свойства азидов тяжелых металлов, является основной при рассмотрении методов управления устойчивостью данных систем к внешним воздействиям, сохранения их энергетических свойств и чувствительности к инициирующим факторам в процессе долговременного хранения.

В настоящее время имеется значительный фактический материал, свидетельствующий о роли точечных дефектов в процессах разложения азидов и изменения их физико-химических свойств [18,19,20,21]. Определение типа дефектности и природы ионных дефектов в АТМ проведено в работах [10,18]. Установлено, что азид серебра разупорядочен по Френкелю с более подвижными межузельными катионами серебра Ag ⁺. В качестве примесных дефектов в кристаллах азида серебра обнаружены положительные ионы металлов: Cu²⁺, Fe³⁺, Al³⁺, Bi³⁺, Pb²⁺, Ca²⁺ с концентрацией 3´10^-5¸10^-4 мольных процента [18]. Однако исследования, проведенные в течение последних лет, показали, что определяющую роль в процессах медленного разложения АТМ играют линейные дефекты кристаллической решетки – краевые дислокации [19,21,23].

Известно, что краевая дислокация в AgN₃ имеет отрицательный заряд, которая за счет электростатического взаимодействия притягивает положительно заряженные примесные и собственные точечные дефекты, в результате чего в приповерхностной области кристалла образуется вакансионный кластер [21,29] (рис.1.4). Методом ямок травления в работе [21,23] было установлено, что такие вакансионные кластеры являются реакционными областями (РО), которые образованны краевыми дислокациями и расположены в приповерхностной области кристаллов на глубине не более 5 мкм. Вакансионные кластеры совпадают с местами выхода дислокации на поверхность кристаллов, при этом активная зона образца обычно содержит 4–5 биографически не одинаковых РО [31].

 

 

Рис. 1.4. Схема образования вакансионного кластера в приповерхностной области азида серебра: 1 – поверхность кристалла; 2 – вакансионный кластер; 3 – линия дислокации

 

Внешнее электрополевое воздействие приводит к разгибу энергетических зон приповерхностной области кристалла (Рис. 1.4.), снимая тем самым барьер для выхода дырок в реакционную область.

 

Рис. 1.5. Зонная структура твердого тела в области дислокации

 

 

Предполагается, что поступающие таким образом дырки необходимы для развития цепной химической реакции в вакансионном кластере. После выключения электрического поля происходит обратный процесс и энергетический барьер восстанавливается. В поле пространственного объемного приповерхностного заряда происходит дрейф дырок в объем образца, что приводит к понижению концентрации реагентов в реакционной области и, следовательно, к понижению скорости разложения. Экспериментально показано, что после энергетического воздействия в течение ~30 мин возможно еще протекание химической реакции с генерацией неравновесных электронов и дырок [14,21].

Одним из основных путей сосредоточения упругой энергии является образование структурных дефектов. Состояние кристалла с распределенными в объеме дислокациями или другими дефектами, в которых сосредоточена избыточная энергия, термодинамически более выгодно, чем состояние с равномерным распределением упругих напряжений по всем межатомным связям [24].

Известно, что при деформации твердых тел происходит образование неравновесных структурных дефектов различного типа. Это могут быть дефекты, локализующиеся в пределах микроструктуры (смещенные из положения равновесия атомы, напряженные и деформированные связи, точечные дефекты и т.д.) или дислокации и макроскопические дефекты типа границ раздела между элементами структуры и др.

На образование дефектов первого типа требуются значительные затраты энергии, но при повышении температуры они сравнительно быстро исчезают. Согласно континуальной теории дислокаций, энергия краевой дислокации равна [26]:

, (1.1)

винтовой дислокации: , (1.2)

где Е – модуль сдвига, n – коэффициент Пуассона, b – вектор Бюргерса дислокации, r – расстояние от рассматриваемой точки до линии дислокации, r₀ – радиус ядра дислокации.

При взаимодействии частичных дислокаций (вектор Бюргерса которых меньше вектора решетки) образуются дефекты упаковки и двойники. Энергия образования этих дефектов на порядок ниже энергии образования поверхности, разделяющей отдельные зерна кристаллов [26]. Поэтому в условиях деформации идет насыщение кристалла дефектами упаковки и двойниками.

При пластической деформации возможно также образование дефектов с более высокими энергиями, на образование которых необходимо затратить от 10^-19 до 10^-18 Дж. Например, при аннигиляции две дислокации с противоположно направленными векторами Бюргерса двигаются навстречу друг другу в соседних плоскостях скольжения, и, соединяясь, образуют либо ряд вакансий, либо межузельных атомов. Возможно также образование точечных дефектов при пересечении дислокации с «лесом» дислокаций [24, 26]. Дислокации в кристалле – дефекты кристаллической решётки, искажающие правильное расположение атомных (кристаллографических) плоскостей. Отличается от других дефектов тем, что значительное нарушение регулярного чередования атомов сосредоточено в малой окрестности некоторой линии, пронизывающей кристалл.

В общем случае дислокации как дефекты кристаллической решётки представляют собой некоторые линии, не обязательно прямые. Они должны быть замкнутыми или оканчиваться на поверхности кристалла.

Число дислокационных линий, пересекающих единичную площадку, проведённую внутри тела, называют плотностью дислокации. Способ определения плотности дислокации – травление поверхностей специальными составами. Поверхность легче травится в местах нарушенной структуры, и выходы дислокационных линий на поверхности видны как ямки травления.

Дислокации в кристалле бывают двух видов: краевая и винтовая.

Краевая дислокация. В идеальном кристалле атомные плоскости параллельны на всём своём протяжении; если одна из атомных плоскостей обрывается внутри кристалла, возникает краевая дислокация. Другими словами, это дефект решётки, вызванный кристаллической полуплоскостью, выдвинутой между правильными плоскостями.

Винтовая дислокация. Нарушения периодичности сосредоточены вблизи одной линии – ось винта, состоящей из атомных плоскостей. Она перпендикулярна нарушенным плоскостям, а линия краевой дислокации параллельна лишней плоскости. То есть, винтовая дислокация – это результат сдвига на период решётки одной части кристалла относительно другой вдоль некоторой полуплоскости параллельно её краю, играющему роль оси дислокации.

Дислокации легко перемещаются внутри кристалла под действием внешней силы.

Так, при перемещении краевой дислокации происходит сдвиг атомных плоскостей – пластичная деформация кристалла. Таким образом, пластичность твёрдого тела связана с наличием в нём дислокаций и их движений.

В чистых монокристаллах дислокации перемещаются сравнительно легко. А если имеются другие дислокации, примеси или границы кристаллических зёрен, то дислокации тормозятся, и прочность материала повышается.

Совершенно идеальные кристаллы без дислокаций обладают максимальной прочностью, т.к. при пластической деформации необходимо в таком случае сдвигать друг относительно друга целые атомные плоскости, а для этого нужна большая энергия[15].