ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 14.10.2024
Просмотров: 82
Скачиваний: 0
Итак, поверхность над диффузионной зоной претерпе
ла два типа изменений — на ней появился рельеф в фор
ме гофра, а на его фоне — рябь. Почему гофр и почему
рябь? Какие события в объеме Диффузионной зоны опре
деляют такой необычный рельеф поверхности над ней?
Немного забегая вперед, можно сообщить, что гофр — проявление эффекта Френкеля, а рябь — эффекта Кир-
кендалла. А теперь по порядку о гофре и ряби..
Мы уже убеждались, что в меди избыточные вакан
сии, а в никеле избыточные атомы. Вакансии, возникшие
вдали от свободной поверхности образца, могут восполь
зоваться в качестве стоков микрополостями и дислокация ми. Для тех вакансий, что возникли вблизи свободной по верхности, есть еще один сток — сама поверхность. Когда
большое количество вакансий выходит на поверхность, на
ней образуется впадина. Именно такого происхождения впадина и наблюдается на поверхности меди, в объеме ко
торой зарождаются и растут поры. Впадина — своеобраз
ная пора (или, лучше, полупора), которая зародилась и
растет на поверхности. Пора в объеме диффузионной зоны
и впадина на поверхности над зоной одного и того же происхождения. И то, и другое — проявление эффекта Френкеля. Выпуклость со стороны никеля — естественное
следствие диффузионного выхода на поверхность избы точных атомов, тех из них, которые не поглотились дисло кациями.
Если причину появления гофра мы понимаем правиль
но, то естественно сделать вот какое предсказание: в диф
фузионном образце, отжигающемся под давлением все
стороннего сжатия, впадина на поверхности над медью
должна быть более глубокой, чем в образце, который) от
жигался без приложения давления. |
Логика здесь |
проста |
и состоит в следующем. Давление |
всестороннего |
сжатия |
препятствует зарождению и росту пор в объеме меди, и, следовательно, вакансии, которые при отсутствии давле
ния поглощались порами, в условиях, когда к образцу
давление приложено, будут в большем количестве ухо дить в другие стоки — дислокации и на поверхность. Чем
больше вакансий выйдет на поверхность, тем глубже бу
дет впадина на ней. Это отчетливо наблюдается в опы
тах, и, значит, наше предсказание оправдывается. Пожалуй, гофр объяснен. Теперь о ряби. Обсудим
причину появления ряби на поверхности над медью. Здесь
она отчетливее выражена, чем над никелем, и объяснить
ее проще.
Представьте колоду карт, которая поставлена на глад
кий стол, а затем немного перекошена. Из середины коло
ды вытащим тонкую пачку карт, а затем, не меняя угла
наклона колоды, сблизим до соприкосновения ее разоб щенные части, перемещая их в направлении, перпенди кулярном к плоскости карт. После такой процедуры на поверхности колоды образуется уступ. Последователь
ность нескольких таких уступов будет восприниматься
как рябь.
Перекошенная колода карт — это модель кристалла
меди диффузионной пары. Его атомные плоскости обра зуют произвольный угол с плоскостью диффузионного контакта. Удаленная тонкая пачка карт — это совокуп
ность незавершенных атомных плоскостей (краевые дис локации), которые, поглощая избыточные вакансии, уко
рачиваются и выходят за пределы кристалла. Иными
словами, краевые дислокации диффузионно перемеща
ются и выходят из кристалла. Сближая разобщенные
части колоды, мы их перемещали перпендикулярно к пло
скости карт потому, что именно так направлены силы вза
имодействия между атомами кристаллической решетки. Легко предсказать, как повлияет давление всесторон
него сжатия на рябь. Если диффузионный образец отжи
гался под давлением, рябь поверхности над медью должна быть и более частой, и более глубокой. Это долж но произойти в связи с тем, что вакансии, лишившись пор в качестве стока, в большем количестве будут уходить в дислокации, и, следовательно, большее количество атом ных «пачек» будет удалено из кристалла. Как и предыду
щее, это предсказание экспериментально подтверждено.
Напряжения в диффузионной зоне
Напряжений не может не быть: ведь в той позиции в
кристаллической решетке, где ранее сидел атом одного сорта, оказывается другой атом. У него иной объем, и пространство, потребное ему, тоже другое. При этом не важно — больше или меньше, а важно, что другое. И чем
большее отличие между атомными объемами законного жильца данной позиции и пришельца, тем больше дефор-
5 я. Е. Гегузин |
129 |
избытком компенсируются уменьшением энергии на гра нице между двумя зернами железа, если эта граница обо
гащена индием.
Взаимная диффузия в тонких пленках
Речь идет об образце, в котором два участка пленки из различных веществ А и В соприкасаются торцами. (Не путать с двухслойной пленкой, в которой слой расположен
на слое!)
Основной признак процесса диффузии тот же, что и
в «толстых» образцах: встречные диффузионные потоки
стремятся выравнять концентрации компонентов диффу
зионной пары в пределах всего образца. В «тонких»
образцах, однако, обнаруживается множество особенностей
процесса, которые обусловлены и геометрией образца,
т. е. его тониной, и его специфической структурой. «Спе цифической», как правило, означает очень дефектной.
Процесс определяется еще и тем, что составная пленка
не свободна, а расположена на твердой подложке из ве
щества, нерастворимого в пленке. К сожалению, опыты
по диффузионной гомогенизации в свободных пленках, контактирующих торцами, не производились.
Забудем о множестве различных дефектов структуры
пленки, сочтем, что ее структура совершенна, и обсудим
лишь роль геометрии, т. е. учтем, что пленка тонкая. Одно из веществ диффузионной пары в какой-то мере заведомо понижает поверхностное натяжение другого ве щества. Допустим, вещество В понижает поверхностное натяжение вещества А. В этом случае должно происхо дить следующее: вещество А в В будет проникать лишь посредством механизма объемной диффузии через
торец, а. В в А ж через торец, |
и вследствие |
диффузии по |
поверхности с последующим |
отсосом в |
объеме. Может |
оказаться, что, даже если коэффициенты объемной диф
фузии подчинены неравенству Da^b> D b^.a, п о т о к веще ства В в А будет большим, чем А в В. Повторим рассуж
дения о соотношении объемных и поверхностных потоков,
подобные тем, которые изложены на стр. 50, мы придем
к выводу, что если толщина пленки Z<Ca Ds/D0! то процесс
диффузионной гомогенизации будет главным образом обусловлен не потоками через площадь торцевого контак-
132
та, а диффузией по и сквозь поверхности участка пленки
из вещества |
А. |
Записанное неравенство отражает |
не |
|||||
очень сильное требование: |
так как в области |
высоких |
||||||
температур |
Ds/D0=Л 04-И05 |
и |
а^З-10~8 |
см, |
|
то |
||
Z<C3- (10“4 -А Ю '3) |
см, а |
пленки, |
именуемые |
физиками |
||||
«тонкими», часто имеют толщину |
10~5 — 10~6 |
см. |
Такой |
|||||
механизм гомогенизации |
(а |
он в |
какой-то мере |
всегда |
||||
имеет место) |
может привести вот к какому следствию: |
на |
||||||
ползая на А, вещество в пленке В будет убывать, пленка
утонится, разорвется, и процесс остановится. Этого, разу меется, не произойдет, если толщина пленки удовлетворя ет условию I ^ a Ds/D0. Такую пленку можно уже тонкой
не считать.
Вспомним о дефектности структуры пленки. Степень
ее дефектности может быть очень значительной — такой,
какая в массивных образцах практически не достигается. В пленке может оказаться очень развитой сеть границ между микроскопическими блоками мозаики, множество щелей между ними, огромная плотность дислокаций, оши
бок упаковки и др. В процессе диффузионной гомогени
зации эти элементы дефектности играют роль облегченных
диффузионных путей, и, следовательно, направление диф
фузионного потока может определиться не тем, какой из
истинных, равновесных коэффициентов диффузии больше, Da-ув или Db^ a, а тем, какой участок пленки более де фектен. Процесс взаимной диффузионной гомогенизации
в реальных пленках настолько структурно-чувствителен,
что ответ на вопрос о направлении преимущественного потока следует искать не с помощью расчетов и рассужде ний, а с помощью микроскопа — вернее и надежнее!
Необсужденной осталась роль твердой подложки, на которой пленка расположена. О ней я расскажу на приме ре результатов опытов по взаимной диффузии в двухком понентной торцевой пленке Аи — Pd. Напомню, что золото
и палладий неограниченно взаимно растворимы.
Пленки осаждались на стеклянную подложку. Экспе
риментаторы обнаружили, что в золотой части пленки
формируются поры диффузионного происхождения и раз
рывы сплошности пленки вдоль границ между блоками
(рис. 53).
Вообще говоря, в тонкой пленке и того, и другого могло бы и не быть, так как избыточным вакансиям, которые образуются в золоте, не так уж далеко до свободной по-
133
ны. В этом и оправдание их появления. А в палладиевой части пленки по диаметрально противоположной причине
из-за прихода в нее избыточных атомов возникнут сжи
мающие напряжения. Они частично снимутся, если часть
вещества этими напряжениями будет вдавлена в бугорки.
Происходит это механизмом диффузии так же, как и рост
бугорков на пленке, предшествующий ее разрушению.
Внешне дело обстоит так, словно вещество из пор в раство
ре, богатом золотом, диффузионно переместилось в бугорки
на поверхности раствора, богатого палладием. Последней фразе количественный смысл не следует придавать, но
смысла она не лишена.
Можно полагать, что, если бы пленка была свободной, не связанной с подложкой, ни поры в ней, ни бугорки на ней не образовались бы.
Диффузионное разбухание металлических усов
Если шерстяную нитку окунуть в воду, нитка разбухнет.
Разбухнет по простой причине — по капиллярным каналам
в ее объем проникнет вода. Вследствие этого, в полном со
гласии с законом сохранения вещества, нитка станет тя
желее, а ее объем увеличится. Главным образом за счет увеличения диаметра. Нитка способна поглотить ограни
ченное количество воды; когда все капиллярные каналы в
ее объеме заполнятся водой, разбухание прекратится. Теперь об усах. Усами физики называют очень тонкие
монокристаллы игольчатой формы. Как правило, струк тура этих кристалликов весьма совершенна, и поэтому они обладают большой механической прочностью, близкой
к предельно возможной для данного вещества. |
Именно это |
свойство усов и привлекало внимание |
физиков. |
А усами они названы, видимо, из-за чисто внешнего сход
ства с усиками насекомых.
Если кристалл-ус будет находиться в атмосфере пара, состоящего из атомов вещества, растворяющегося в веще
стве уса, атомы из пара будут диффундировать в ус.
Внешне все подобно тому, что наблюдается при разбу
хании нитки, опущенной в воду: диаметр уса будет возра
стать, его вес — увеличиваться. Разумеется, и то, и другое
будет происходить небеспредельно. Когда ус насытится атомами из пара, т. е. образуется насыщенный раствор ве щества пара в веществе уса, процесс диффузионного разбу
135