УДК 53. (075).
МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО
СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РСФСР
Сибирский государственный индустриальный университет
Методические указания к выполнению лабораторной работы
"Изучение дислокационной структуры кристаллов фтористого лития методом избирательного травления"
по курсу общей физики
Новокузнецк
1978
Данные методические указания к выполнению лабораторной работы по курсу физики предназначены для студентов 2-го курса. Методические указания содержат развернутую классификацию структурных дефектов в твердых телах, рассматриваются способы и условия образования дефектов, подробно объясняются методы выявления дислокации в кристаллах. Приводится порядок выполнения лабораторной работы по изучению дислокационной структуры в твердых телах и ряд контрольных вопросов по изучаемому разделу.
Приборыи принадлежности: микроскоп, набор кристаллов фтористого лития, нож для скалывания образцов, раствор хлорного железа в воде (травитель), пинцет, промывочный раствор, бумажные фильтры.
КРАТКАЯ ТЕОРИЯ
Идеальное построение кристаллической решетки, характеризующееся строгой трехмерной периодичностью, не может быть получено при нормальных давлениях P и температурах Т. Различные отклонения от идеальной структуры приводят к реальным структурам, т.е. к обычным твердым телам, которые нас окружают. Эта отклонения принято рассматривать как структурные дефекты кристаллов, К ним относятся геометрические отклонения моментов решетки от регулярного расположения в идеальной решетке. Структурные дефекты можно классифицировать по их пространственной протяженности в кристалле:
1. Точечные (или нульмерные);
2. Линейные (иди одномерные);
3. Поверхностные (или двумерные).
Рассмотрим кратко первые два типа дефектов.
К точечным дефектам относятся такие нарушения кристаллической решетки, которые имеют в трех кристаллографических направлениях атомарные размеры. Простейшие из них называют атомными дефектами по Френкелю и Шоттки. Так как распределение энергии между атомами твердого тела является весьма неравномерным, то при любой температуре в кристалле имеется атомы, энергия которых во много раз больше и во много раз меньше среднего значения, отвечающего закону равномерного распределения энергии по степеням свободы. Те атомы, которые в данный момент времени обладают высокой энергией, могут преодолеть потенциальный барьер, созданный соседними атомами, и перейти в новую ячейку. Если все узлы ячейки заняты, такой атом может расположиться во внутренней ее полости - в междоузлиях [l] (pиc.1,а).
Таким образом, этот процесс сопровождается возникновением вакантного узла (вакансия, дырка) и атома в междоузлии (дислоцированный атом). Такого рода дефекта решетки называются дефектами по Френкелю.
Если пустой узел образуется в результате удаления частицы из объёма кристалла на его поверхность (рис.1,б), то вакансия называется дефектом по Шоттки.
Разный механизм возникновения приводит к тому, что дефекты по Шоттки снижают плотность кристалла, а дефекты по Френкелю на величину плотности практически не влияют. Равновесная концентрация дефектов в кристалле увеличивается с ростом температуры. Объясняется это тем, что с повышением температуры увеличивается число атомов, энергия которых оказывается достаточной для преодоления связи с соседями и образования дефекта. Минимальное значение энергии Еа, при сообщении которой частица покидает узел, называется энергией активации. Если рассмотреть кристалл, содержащий N атомных узлов, то при определенной температуре Т равновесное количество вакантных мест n выразится формулой
(Обычно величина Eа составляет 1-2 эВ). Эксперименты показывают, что этот закон прекрасно выполняется.
Рис.1,а. Дефекты по Френкелю Рис.1,б. Дефекты по Шоттки
Одномерные дефекты кристаллической решётки называются дислокациями. Дефекты такого рода нарушают правильное чередование кристаллографических плоскостей. Дислокации могут быть краевого и винтового типа. Краевая дислокация возникает при введении в кристалл «лишней» кристаллической плоскости, три края которой выходят на поверхность, а четвертый располагается в объеме кристалла.
Этот край плоскости образует внутри кристалла линию (дислокационную линию или дислокацию) и обозначается значком ^ (положительная D) (рис. 2, а). Если дислокация образована лишней кристаллической плоскостью, вдвинутой в кристалл с противоположной стороны, то говорят о дислокации противоположного знака и обозначают значком T (отрицательная дислокация) (рис. 2, б). Из приведенных схем видно, что образование лишних плоскостей (а, следовательно, и дислокаций) может произойти при плоском незавершенном смещении одной части кристалла по отношению к другой на величину , которая называется вектором смещения. Дислокация, у которой вектор смещения равен постоянной решетки, называется единичной дислокацией или дислокацией единичной мощности. Прохождение такой дислокации в кристалле справа налево (рис.2) приводит к смещению одной его части (верхней) по отношению к другой (нижней) на постоянную решетки. Для представления винтовой дислокации лучше всего воспользоваться следующей моделью. Возьмем совершенный кристалл и сделаем в нем тонкий разрез на некоторую глубину. Затем сдвинем часть кристалла по одну сторону надреза вверх на одно межатомное расстояние относительно части кристалла с другой стороны надреза. Теперь снова сомкнем ряды атомов по обе стороны надреза. Вид кристалла после этих операций показан на рис. 3.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.