Файл: Гегузин, Я. Е. Очерки о диффузии в кристаллах.pdf

информация проявляется в том, что многие атомы вокруг «точечного дефекта» несколько смещаются из положе­

том, почему они возникают. Это происходит потому, что

случайно в разных местах кристалла возникают случай­

ные сгустки энергии, так называемые «энергетические флуктуации», достаточные для образования очагов бес­ порядка. Так как их образование вызывается тепловым

движением, число образующихся очагов беспорядка —

вакансий и межузельных атомов — должно расти с уве­ личением температуры.

Может показаться, что самопроизвольный процесс образования очагов беспорядка противоречит законам

природы. С каждым из них связана некоторая дополни­

тельная энергия, и, следовательно, энергия всего кри­

сталла не будет минимальной. В действительности, одна­ ко, это не так. Для того чтобы при повышенной темпера­ туре сохранить идеальный порядок в кристалле, надо

было бы тратить энергию на то, чтобы гасить энергети­

ческие флуктуации. Эта энергия, привнесенная в кри­

сталл извне, делала бы его энергию неминимальной.

Значит, очаги беспорядка возникнут обязательно, не воз­ никать они не могут. Кристаллу необходимы различные формы этих очагов — и вакансии, и межузельные атомы.

Это тот беспорядок, который порядку необходим.

Дефекты, которые кристаллу не нужны

В структуре реального кристалла, как правило, всегда имеются дефекты, с наличием которых связана значи­ тельная энергия, и, естественно, кристалл от этих дефек­ тов должен бы избавиться. Однако сделать это он может не всегда: в одних случаях этому препятствует малая по­

движность дефектов, в других — малая сила, нод влия­

нием которой дефект движется из кристалла. Поэтому

«неугодные» дефекты могут застрять в кристалле и в существенных чертах повлиять на его характеристики. Особенно большое влияние дефекты оказывают на диф­ фузионные характеристики кристалла, и поэтому в кни-

12

ге, посвященной диффузии, не рассказать о них нельзя.

Все множество дефектов строения кристалла принято классифицировать по их «мерности». В такой классифи­

кации «нульмерными», или точенными, являются ва­

кантные узлы кристаллической решетки и отдельные

атомы, внедренные в междоузлиях. Об этих дефектах

рассказано в предыдущем очерке. Оказалось, что они

могут относиться к категории дефектов «угодных», жиз­

ненно необходимых кристаллу.

К «одномерным» дефектам относятся дефекты, кото­

своих соседей. В поликристалле границами разделены отдельные зерна, которые могут быть ориентированы

ляются независимыми. Перемещаясь, они сталкиваются

друг с другом; дефекты одного типа или их совокупность при определенных условиях могут превратиться в дефек­

ты другого типа: совокупность вакансий переходит в дис­

локацию или пору, а пора может стать источником ва­ кансий; совокупность дислокаций превращается в тре­

а вот о дислокациях и границах раздела нужно рас­ сказать.

Со строением и свойством дислокаций мы ознако­

мимся на примере самых простых дислокационных

структур — краевой и винтовой.

Представим решетку состоящей из совокупности па­

раллельных плоскостей, которые заселены атомами в

определенном порядке. Пусть одна из этих плоскостей в

одном измерении короче других (рис. 2). Очевидно, это обстоятельство будет замечено лишь ближайшими сосе­

13

дями — атомами, которые расположены в соседних пло­ скостях, вблизи линии, ограничивающей укороченную

плоскость; вдали от обрыва (края) плоскости располо­

жение атомов будет обычным, невозмущенным. Область

кристалла, протяженная в одном измерении вдоль края

незавершенной плоскости, называется краевой дислока­

цией. Следует различать краевые дислокации противо­

положных знаков — положительные и отрицательные в

зависимости от того, какая часть плоскости отсутствует. Легко сообразить, что если в кристалле в форме бруска

Рис. 2. Схематическое изображение Краевых дислокаций двух различных знаков. Значок J. обозначает краевую дислокацию. Пунктирной окружностью выделена искаженная область, при­ мыкающая к дислокации.

появиться краевые дислокации. Дислокаций должно

быть тем больше, чем меньше радиус изгиба кристалла.

Дислокации, возникшие при изгибе, отчетливо видны на приводимой фотографии дислокационной структуры

изогнутого монокристалла цинка (рис. 3).

Краевые дислокации возникают в кристалле не только

при изгибе, но и при иных видах деформации, например

при деформации сдвига.

14

ле дислокация могла в процессе его роста или при дефор­ мации, которую, однако, следует осуществлять не по схеме

чистого «сдвига», при котором вдоль некоторой плоскости

одна часть кристалла смещается относительно другой, а по

схеме «среза». Именно так деформируется лист, разрезае­

мый ножницами. Ножницы как бы создают в нем винто­

вую дислокацию.

Мы ознакомились с простейшим примером дислокаций

в форме прямых линий. В действительности же они могут иметь и сложную форму, образуя замкнутые петли и пе­

риодические пространственные сетки.

Рис. 4. Схематическое изображение винтовой дислокации. Пунктиром выделена искаженная область.

Из множества свойств дислокаций нас будут интересо­

вать те два, которые влияют на диффузионные характери­

стики кристаллов. Первое свойство заключается в повы­

шенной диффузионной проницаемости дислокационных линий. Это означает, что атомы вдоль дислокационной ли­ нии перемещаются быстрее, чем вдоль бездефектной облас­

ти кристалла. Второе свойство заключается в том, что крае­

вая дислокация может поглощать и испускать атомы, перемещаясь при этом в кристалле. О каждом из этих

свойств дислокаций подробно рассказано далее в специаль­ ных очерках.

Коротко о двумерных дефектах. Границы раздела меж­ ду отдельными блоками в кристалле могут образоваться

16

из совокупности дислокаций, расположенных определен­

ным образом. На рис. 6 изображена дислокационная гра­ ница и схематически (а), и в виде фотографии (б), на ко­ торой последовательность дисклокаций видна в виде ямок травления. Легко понять, что чем больший угол образуют между собой соседние блоки, тем меньшим должно быть

расстояние между дислокациями в границе. Это означает,

что одним рядом дислокаций, расположенных друг за дру­

гом, может быть образована граница, которая разделяет

блоки, повернутые на небольшой угол, не более несколь­

ких градусов. При большем угле взаимного поворота бло­

ков дислокации в границе сблизятся настолько, что прак­ тически сольются и потеряют индивидуальность. В тех

случаях, когда граница разделяет участки кристалличе­

ского тела, повернутые друг к другу на большой угол (на­ пример, зерна в поликристалле), структура границ оказы­ вается сложной, и, пожалуй, удобнее всего ее представ­ лять как аморфизованный слой, где атомы расположены неупорядоченно.

Источники и стоки вакансий

Итак, беспорядок, при котором некоторые атомы нахо­ дятся в междоузлиях, а некоторые узлы решетки оказы­ ваются незамещенными, вакантными, кристаллу необхо­ дим.

Далее вакантные узлы кристаллической решетки мы иногда будем называть «атомами пустоты».

«Атом пустоты» — это совсем не мистика и не пре­

небрежение материалистическим взглядом на природу, а образ, оправдываемый строгими законами физики. Кри­

сталл с долей узлов, свободных от атомов, можно рас­

сматривать как раствор «атомов пустоты» в нем с тем

же правом, с каким говорят о растворе меди в кристал­ ле никеля, если некоторое количество узлов в решетке

кристалла никеля замещено атомами меди. Далее чита­ тель привыкнет к этому вначале непривычному образу —

«атом пустоты». Сейчас важно ответить на вопрос, куда

уходят те атомы, которые ранее находились в освободив­

шихся узлах? Иначе: как в кристалле появляются сво­

бодные узлы решетки, т. е. где кристалл берет «атомы

пустоты»?

18

Есть вот какая возможность избавиться от атома, на­

ходящегося в узле: его можно перевести на незаконное положение в междоузлие. При этом возникает и «атом пустоты», и «межузельный атом». Иногда именно это и происходит. Междоузлие всегда рядом, и для атома дело

ля», удовлетворить потребность кристалла и в «атоме

пустоты», и в «межузельном атоме». Однако это может

стоить атому больших усилий: надо обладать энергией,

достаточной не только для того, чтобы порвать связи с

теми атомами, которые заселяют соседние углы решетки, но и вынудить новых соседей по междоузлию несколько

раздвинуться, уступив часть жизненного пространства ато­

му, желающему поселиться в междоузлии.

Сравнительно легко это может произойти в кристал­

лах, которые состоят из атомов двух типов, значительно

отличающихся по размерам. Меньший из атомов может

разместиться в зазоре между крупными. Именно так мо­

гут возникнуть «атомы пустоты», например, в монокрис­

таллах соли AgCl: радиус иона хлора равен 1,81 *10~8 см,

пространстве между ионами хлора ему будет не очень тесно.

В кристаллах, которые состоят из плотно упакованных атомов одного сорта, такой механизм рождения «атома

пустоты» практически не может иметь места, так как для

этого нужно слишком много энергии. В кристаллах золо­ та, меди, никеля, которые построены так, что каждый из атомов окружен двенадцатью себе подобными, объем сво­ бодного пространства «между узлами», куда бы мог перей­

ти атом из узла, во много раз меньше объема атома, а энер­

гия, необходимая для такого перехода, очень велика — близка к энергии испарения атома. А это и означает, что

самопроизвольно, как бы по доброй воле, в междоузлия этих

кристаллов атомы будут переходить очень редко.

Слова «по доброй воле» сказаны не случайно. Если все дело в том, что переход в междоузлие связан с затратой большого количества энергии, то, видимо, если атому извне

сообщить эту энергию, он покинет узел. Атом, например,

может быть вытолкнут из узла решетки ударом быетро ле-

*9