что такое дислокация материаловедение

Дислокации и их влияние на структуру материала

Дислокациями называют линейные дефекты кристаллов, возникающие в процессе роста или пластической деформации. Различают краевые и винтовые дислокации, нарушающие правильное чередование атомных плоскостей.

Причиной краевой дислокации является отрыв одной из плоскостей внутри кристалла. Образование винтовой дислокации связано, в основном, с условиями роста кристалла, состоящего из одной атомной плоскости, изгибающейся по винтовой поверхности.

Дислокации в кристалле могут возникать при его росте и в том случае, когда растущие навстречу друг другу блоки или зерна повернуты один относительно другого. При срастании таких блоков образуются избыточные атомные плоскости, которые определяют текстуру реальных кристаллов.

Причиной образования дислокаций в кристалле могут быть также скопления точечных дефектов, в частности, вакансий.

В процессе пластической деформации происходит не одновременный сдвиг всех атомов данной плоскости, а последовательное перемещение связей между атомами, лежащими по обе стороны плоскости скольжения. Такое перераспределение связей предопределяет движение дислокаций от одной группы атомов к другой.

Количество дислокаций в кристаллических структурах очень велико. Число дислокационных линий, пересекающих 1 см2 внутри отожженных монокристаллов может достигать 104¸106 и более.

Схемы образования дислокаций представлены на рис. 3.4 и рис. 3.5.

Рис. 3.4.Образование дислокаций на границах блоков:

а – два блока, растущих навстречу друг другу; б— дислокации, возникающие при срастании блоков

Рис. 3.5. Образование дислокаций из скопления вакансий:

Наличие дислокаций значительно снижает прочность реальных кристаллов, которые разрушаются при напряжениях, на несколько порядков меньших, чем идеальные.

Дислокации влияют на электрические, оптические, магнитные и другие свойства. Так, они повышают электросопротивление, снижают плотность, упругость, а также предельное напряжение сдвига материала. Последнее объясняется тем, что при сдвиге, т.е. при пластической деформации к имеющимся дислокациям присоединяются и вновь образованные.

Однако пластическая деформация и рост дефектов могут привести к упрочнению структуры. Это происходит в результате накопления дислокаций и взаимодействия их как между собой, так и с другими дефектами кристаллической решетки, что вызывает ее искажение и затрудняет перемещение дислокаций. Кроме того, атомы примесей, границы блоков, обособленные включения в решетки также затрудняют перемещение дислокаций, увеличивая сопротивление сдвигу.

Напрашивается вывод о положительной роли дислокаций, тем более, что в металловедении известны многие практические приемы упрочнения структуры металлов, такие как холодное деформирование (наклеп), введение примесей (легирование), создание обособленных включений (закалка) и др.

Следовательно, для упрочнения кристаллической структуры необходимо стремиться либо к большему развитию дефектов, либо к полному их устранению. На рис. 3.6 представлен график влияния роста дефектов на изменение прочности кристаллической структуры, который показывает, что максимальная прочность реальных кристаллов далека от теоретической.

Рис. 3.6. Зависимость сопротивления деформации от количества дефектов в кристалле

В продолжение освещения роли линейных дефектов, образующихся в процессе пластических деформаций в кристаллической структуре, необходимо заметить о возможности локального скопления дислокаций, которые могут вызвать местные концентрации напряжений. Последние, в сочетании с такими же локальными скоплениями дефектов, способны образовывать зародыши микротрещин, которые, как известно, являются основной причиной разрушения структуры.

Роль поверхностных и объемных дефектов в структурообразовании рассмотрим при изучении макроструктуры материалов.

Источник

Дислокации – основы материаловедения

Дислокации — линейные дефекты кристаллической решетки типа обрыва или сдвига атомных плоскостей, нарушающие правильность их чередования. Энергия образования дислокаций существенно выше энергии образования точечных дефектов, поэтому они не могут существовать в измеримых концентрациях как термодинамически устойчивые дефекты. Они легко образуются при выращивании монокристаллов или эпитаксиальных пленок, сопровождающемся термическими, механическими и концентрационными напряжениями, приводящими к пластической деформации кристалла. Часть дислокаций может сохраняться в кристалле даже после самого тщательного отжига. Более подробно вопрос о причинах возникновения дислокаций будет рассмотрен при обсуждении методов выращивания монокристаллов и эпитаксиальных пленок (см. гл. 6

Рис. 3.4. а — Схема образования краевой дислокации. б — Расположение атомов вокруг краевой дислокации в простой кубической решетке.

и гл. 9), так как он имеет огромное значение для технологии полупроводников.

Поскольку дислокации при небольших концентрациях распределены по объему кристалла неравномерно, то нарушения свойств кристалла, обусловленные их присутствием, локализованы в небольших объемах, окружающих дислокации. Следовательно, кинетика процессов, протекающих вблизи этих дефектов, будет иной, чем в объеме кристалла, где дислокации отсутствуют.

Различают простые и смешанные дислокации. К простым дислокациям относят краевые и винтовые.

Рассмотрим кристалл, в котором в результате приложения внешних сил одна часть начинает смещаться относительно другой по некоторой плоскости (плоскости скольжения) вдоль некоторого выбранного направления (направления сдвига), то есть кристалл подвергается пластической деформации сдвига путем скольжения (рис. 3.4,а). Перемещения атомов по плоскости скольжения не являются равномерными, так как сдвиг на единицу скольжения происходит только в одной части кристалла, а в остальной части сдвиг полностью отсутствует. Перпендикулярную направлению сдвига линию AD, расположенную внутри кристалла и являющуюся границей между этими двумя частями кристалла, называют линией краевой дислокации и обозначают ⊥. Расположение атомов внутри деформированного скольжением кристалла в плоскости, перпендикулярной линии AD, имеет вид, изображенный на рис. 3.4,б. Атом, расположенный непосредственно над знаком дислокации ⊥, имеет окружение, отличающееся от окружения атомов в бездефектной части кристалла. Все происходит так, как если бы в объеме кристалла появилась

Рис. 3.5. Схема образования винтовой дислокации.

одна «лишняя» атомная плоскость, край которой обрывается внутри кристалла. Краевая дислокация, таким образом, представляет собой дефект, при котором одна из атомных плоскостей обрывается внутри кристалла по линии краевой дислокации AD, перпендикулярной направлению сдвига. Краевые дислокации образуются вдоль плоскостей скольжения. Условно подразделяют краевые дислокации на положительные и отрицательные. Положительная дислокация соответствует случаю, когда «лишняя» атомная плоскость находится сверху над знаком ⊥ (рис. 3.4,б) и в

верхней половине кристалла действуют сжимающие напряжения, в ниж

ней — растягивающие; а отрицательная — случаю, когда «лишняя» атомная плоскость находится снизу под знаком ⊥, то есть верхняя половина

кристалла растянута, а нижняя сжата.

Сдвиг одной части кристалла относительно другой, возникающий под влиянием внешних воздействий, может деформировать кристалл таким образом, что его можно представить состоящим из атомных плоскостей, закрученных в виде винтовой лестницы, ось которой и образует линию винтовой дислокации AD (рис. 3.5 и рис. 3.6). Винтовая дислокация

обозначается ⊗. Линия винтовой дислокации характеризуется тем, что

она параллельна направлению сдвига. При каждом обходе вокруг нее

мы поднимаемся или опускаемся на одно межплоскостное расстояние (рис. 3.6). Выход винтовой дислокации на поверхность кристалла заканчивается незарастающей ступенькой. В отличие от краевой дислокации, винтовая дислокация не имеет «лишних» плоскостей и может образовываться при сдвиге по любой атомной плоскости, проходящей через линию дислокации AD, то есть она не определяет однозначно плоскость скольжения. Различают правые и левые винтовые дислокации, причем направление вращения играет ту же роль, что и знак у краевых дислокаций.

Следует отметить, что в кристаллах полупроводников в чистом виде краевая и винтовая дислокации встречаются редко. Как правило, они по

Рис. 3.6. а — Винтовая дислокация. б — Расположение атомов на винтовой поверхности вдоль винтовой дислокации.

являются одновременно, приводя к образованию смешанных форм, при этом линия результирующей дислокации (граница между сдвинутой и не сдвинутой частями кристалла) не обязательно должна быть прямой, она может представлять собой произвольную кривую. Криволинейную дислокацию произвольной формы, которую можно представить как состоящую из различных комбинаций «чистых» краевой и винтовой дислокаций, называют смешанной. На рис. 3.7 показана смешанная дислокация в простой кубической решетке.

Основной характеристикой дислокации является вектор Бюргерса (вектор сдвига) b. Вектор Бюргерса — это мера искажений решетки, обусловленных присутствием дислокации. Для его определения строят замкнутый контур в кристалле с дефектом и контур, проходящий через те же атомы, в кристалле без дефекта. Проведем в решетке, содержащей краевую дислокацию, замкнутый контур A-B-C-D-A вокруг этой дислокации, начав его из произвольно взятого узла A и откладывая против часовой стрелки определенное число межатомных расстояний (рис. 3.8). Если построить тот же контур в решетке без дислокации, откладывая такое же число межатомных расстояний, то контур окажется незамкнутым. Вектор b, который необходимо добавить, чтобы замкнуть контур, и есть вектор Бюргерса. Величина разрыва контура характеризует сумму всех упругих смещений решетки, накопившихся в области вокруг дислокации. Для примера, изображенного на рис. 3.8 (простая кубическая решетка), вектор Бюргерса по абсолютной величине равен расстоянию между соседними атомами и ориентирован перпендикулярно линии дислокации.

Аналогичное построение для винтовой дислокации в простой кубиче

Рис. 3.7. a — Сдвиг, создавший смешанную дислокацию. б — Смешанная дислокация в простой кубической решетке. Краевая плоскость скольжения совпадает с плоскостью чертежа; черные кружки — атомы под плоскостью скольжения, белые — атомы над ней; заштрихованный участок — ступенька, образовавшаяся в результате сдвига.

Рис. 3.8. Контур и вектор Бюргерса краевой дислокации.

ской решетке показывает, что и в этом случае b равен расстоянию между соседними атомами (это шаг винта в направлении линии дислокации), но направлен вдоль линии дислокации.

Вектор Бюргерса — наиболее инвариантная характеристика дислокации. Он остается постоянным вдоль всей линии любой дислокации и сохраняется при ее движении [27].

Теперь можно дать определение простых дислокаций через вектор Бюргерса. Краевой дислокацией называют дислокацию, вектор Бюргерса b которой перпендикулярен линии краевой дислокации. Винтовой дислокацией называют дислокацию, вектор Бюргерса b которой параллелен линии винтовой дислокации. В общем случае смешанной дислокации вектор Бюргерса может иметь иные направления относительно линии дислокации.

Дислокации окружены полями упругих напряжений. Область над линией краевой дислокации, содержащая лишнюю полуплоскость, испытывает напряжения сжатия, область под линией дислокации — напряжения растяжения. Вокруг винтовых дислокаций существует поле сдвиговых (касательных) напряжений. Величина напряжений убывает обратно пропорционально расстоянию от линии дислокации [27].

Источник: И. А. Случинская, Основы материаловедения и технологии полупроводников, Москва — 2002

Источник

Дислокации в кристаллах

Наиболее распространена так называемая смешанная дислокация, которая является любой комбинацией краевой и винтовой дислокаций. Возле линий дислокаций структура кристалла деформируется с затуханием искажения обратно пропорционально расстоянию от этой линии.

Во всякой дислокации существуют недостаточно компенсированные межатомные связи. С ними и с полем деформации около дислокации связано локальное повышение внутренней энергии и энтропии атомов на дислокации и около неё. Величина внутренней энергии дислокации пропорциональна длине дислокации и квадрату вектора Бюргерса.

Дислокации, как и точечные дефекты, могут перемещаться по кристаллической решётке. Однако движение дислокаций связано с большими ограничениями, так как дислокация всегда должна быть непрерывной линией. Возможны два основных вида движений дислокаций: переползание и скольжение. Переползание дислокаций происходит благодаря добавлению или удалению атомов из лишней полуплоскости, что может происходить вследствие диффузии. При скольжении дислокации лишняя полуплоскость, занимавшая определённое положение в кристаллической решётке, соединяется с атомной плоскостью, находящейся под плоскостью скольжения, а соседняя атомная плоскость становится тогда лишней полуплоскостью. Такое плавное скольжение линии дислокации вызывается действием напряжений сдвига, приложенных к поверхности кристалла.

Методы изучения дислокаций

Фотографии структуры кристаллов с имеющимися в них дефектами можно получить с помощью ионного проектора и электронного микроскопа. При изучении дефектов кристаллов используют также метод протравливания: на поверхность кристалла наносят химические травители, которые наиболее активно взаимодействуют с теми областями кристалла, в которых сосредоточены наибольшие искажения, вызванные дислокациями. В результате такого травления на поверхности кристалла (или среза кристалла) появляются ямки, свидетельствующие о наличии дислокации в этом месте. Ямки рассматривают в обычный оптический микроскоп. Таким способом можно определить плотность дислокаций.

Источник

Что такое дислокация материаловедение

Строение реальных металлов. Дефекты кристаллического строения

Из жидкого расплава можно вырастить монокристалл. Их обычно используют в лабораториях для изучения свойств того или иного вещества.

Металлы и сплавы, полученные в обычных условиях, состоят из большого количества кристаллов, то есть, имеют поликристаллическое строение. Эти кристаллы называются зернами. Они имеют неправильную форму и различно ориентированы в пространстве. Каждое зерно имеет свою ориентировку кристаллической решетки, отличную от ориентировки соседних зерен, вследствие чего свойства реальных металлов усредняются, и явления анизотропии не наблюдается

В кристаллической решетке реальных металлов имеются различные дефекты (несовершенства), которые нарушают связи между атомами и оказывают влияние на свойства металлов. Различают следующие структурные несовершенства:

точечные – малые во всех трех измерениях;

линейные – малые в двух измерениях и сколь угодно протяженные в третьем;

поверхностные – малые в одном измерении.

Одним из распространенных несовершенств кристаллического строения является наличие точечных дефектов: вакансий, дислоцированных атомов и примесей. (рис. 2.1.)

Рис.2.1. Точечные дефекты

Вакансия – отсутствие атомов в узлах кристаллической решетки, «дырки», которые образовались в результате различных причин. Образуется при переходе атомов с поверхности в окружающую среду или из узлов решетки на поверхность (границы зерен, пустоты, трещины и т. д. ), в результате пластической деформации, при бомбардировке тела атомами или частицами высоких энергий (облучение в циклотроне или нейтронной облучение в ядерном реакторе). Концентрация вакансий в значительной степени определяется температурой тела. Перемещаясь по кристаллу, одиночные вакансии могут встречаться. И объединяться в дивакансии. Скопление многих вакансий может привести к образованию пор и пустот.

Дислоцированный атом – это атом, вышедший из узла решетки и занявший место в междоузлие. Концентрация дислоцированных атомов значительно меньше, чем вакансий, так как для их образования требуются существенные затраты энергии. При этом на месте переместившегося атома образуется вакансия.

Примесные атомы всегда присутствуют в металле, так как практически невозможно выплавить химически чистый металл. Они могут иметь размеры больше или меньше размеров основных атомов и располагаются в узлах решетки или междоузлиях.

Точечные дефекты вызывают незначительные искажения решетки, что может привести к изменению свойств тела (электропроводность, магнитные свойства), их наличие способствует процессам диффузии и протеканию фазовых превращений в твердом состоянии. При перемещении по материалу дефекты могут взаимодействовать.

Основными линейными дефектами являются дислокации. Априорное представление о дислокациях впервые использовано в 1934 году Орованом и Тейлером при исследовании пластической деформации кристаллических материалов, для объяснения большой разницы между практической и теоретической прочностью металла.

Дислокация – это дефекты кристаллического строения, представляющие собой линии, вдоль и вблизи которых нарушено характерное для кристалла правильное расположение атомных плоскостей.

Простейшие виды дислокаций – краевые и винтовые.

Краевая дислокация представляет собой линию, вдоль которой обрывается внутри кристалла край “лишней“ полуплоскости (рис. 2.2)

Рис. 2.2. Краевая дислокация (а) и механизм ее образования (б)

Неполная плоскость называется экстраплоскостью.

Большинство дислокаций образуются путем сдвигового механизма. Ее образование можно описать при помощи следующей операции. Надрезать кристалл по плоскости АВСD, сдвинуть нижнюю часть относительно верхней на один период решетки в направлении, перпендикулярном АВ, а затем вновь сблизить атомы на краях разреза внизу.

Наибольшие искажения в расположении атомов в кристалле имеют место вблизи нижнего края экстраплоскости. Вправо и влево от края экстраплоскости эти искажения малы (несколько периодов решетки), а вдоль края экстраплоскости искажения простираются через весь кристалл и могут быть очень велики (тысячи периодов решетки) (рис. 2.3).

Если экстраплоскость находится в верхней части кристалла, то краевая дислокация – положительная (), если в нижней, то – отрицательная (). Дислокации одного знака отталкиваются, а противоположные притягиваются.

Рис. 2.3. Искажения в кристаллической решетке при наличии краевой дислокации

Другой тип дислокаций был описан Бюргерсом, и получил название винтовая дислокация

Винтовая дислокация получена при помощи частичного сдвига по плоскости Q вокруг линии EF (рис. 2.4) На поверхности кристалла образуется ступенька, проходящая от точки Е до края кристалла. Такой частичный сдвиг нарушает параллельность атомных слоев, кристалл превращается в одну атомную плоскость, закрученную по винту в виде полого геликоида вокруг линии EF, которая представляет границу, отделяющую часть плоскости скольжения, где сдвиг уже произошел, от части, где сдвиг не начинался. Вдоль линии EF наблюдается макроскопический характер области несовершенства, в других направлениях ее размеры составляют несколько периодов.

Если переход от верхних горизонтов к нижним осуществляется поворотом по часовой стрелке, то дислокация правая, а если поворотом против часовой стрелки – левая.

Рис. 2.4. Механизм образования винтовой дислокации

Винтовая дислокация не связана с какой-либо плоскостью скольжения, она может перемещаться по любой плоскости, проходящей через линию дислокации. Вакансии и дислоцированные атомы к винтовой дислокации не стекают.

В процессе кристаллизации атомы вещества, выпадающие из пара или раствора, легко присоединяются к ступеньке, что приводит к спиральному механизму роста кристалла.

Линии дислокаций не могут обрываться внутри кристалла, они должны либо быть замкнутыми, образуя петлю, либо разветвляться на несколько дислокаций, либо выходить на поверхность кристалла.

Дислокационная структура материала характеризуется плотностью дислокаций.

Плотность дислокации в значительной мере определяет пластичность и прочность материала (рис. 2.5)

Рис. 2.5. Влияние плотности дислокаций на прочность

Минимальная прочность определяется критической плотностью дислокаций

Дислокации влияют не только на прочность и пластичность, но и на другие свойства кристаллов. С увеличением плотности дислокаций возрастает внутреннее, изменяются оптические свойства, повышается электросопротивление металла. Дислокации увеличивают среднюю скорость диффузии в кристалле, ускоряют старение и другие процессы, уменьшают химическую стойкость, поэтому в результате обработки поверхности кристалла специальными веществами в местах выхода дислокаций образуются ямки.

Дислокации образуются при образовании кристаллов из расплава или газообразной фазы, при срастании блоков с малыми углами разориентировки. При перемещении вакансий внутри кристалла, они концентрируются, образуя полости в виде дисков. Если такие диски велики, то энергетически выгодно “захлопывание” их с образованием по краю диска краевой дислокации. Образуются дислокации при деформации, в процессе кристаллизации, при термической обработке.

Поверхностные дефекты – границы зерен, фрагментов и блоков (рис. 2.6).

Рис. 2.6. Разориентация зерен и блоков в металле

Размеры зерен составляют до 1000 мкм. Углы разориентации составляют до нескольких десятков градусов ().

Граница между зернами представляет собой тонкую в 5 – 10 атомных диаметров поверхностную зону с максимальным нарушением порядка в расположении атомов.

Строение переходного слоя способствует скоплению в нем дислокаций. На границах зерен повышена концентрация примесей, которые понижают поверхностную энергию. Однако и внутри зерна никогда не наблюдается идеального строения кристаллической решетки. Имеются участки, разориентированные один относительно другого на несколько градусов (). Эти участки называются фрагментами. Процесс деления зерен на фрагменты называется фрагментацией или полигонизацией.

В свою очередь каждый фрагмент состоит из блоков, размерами менее 10 мкм, разориентированных на угол менее одного градуса (). Такую структуру называют блочной или мозаичной.

Источник