Изучение дислокационной структуры кристаллов фтористого лития методом избирательного травления: Методические указания к выполнению лабораторной работы

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 Е_а, 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 E_а составляет 1-2 эВ). Эксперименты показывают, что этот закон прекрасно выполняется.

Рис.1,а. Дефекты по Френкелю        Рис.1,б. Дефекты по Шоттки

Как атомы в междоузлиях, так и вакансии не остаются зак­репленными в определенных местах кристалла, а диффундируют в решетке. В общем случае эти дефекты оказывают сильное влияние на оптические, механические, магнитные и термодинамические свойства.

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.

                     а)                                 б)

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.