Метод ямок травления

Большинство косвенных методов исследования дислокаций основано на реакции дислокаций на различного рода внешние воздействия (приложение механического напряжения, электрического поля и т. д.) и будет рассмотрено в разделах, посвященных пластической деформации кристаллов. Здесь укажем только на метод ямок травления, основанный на том, что область кристалла, окружающая дислокацию, имеет искаженную атомную структуру и, следовательно, взаимодействует с растворителями не так, как участки с идеальной структурой.

Кроме того, в процессе кристаллизации на дислокациях осаждаются атомы примесей, что также приводит к изменению их химической активности. В результате, если подействовать определенным травителем на поверхность кристалла, содержащего дислокации, в местах выхода дислокаций на поверхность возникнут ямки пирамидальной или конической формы (часто симметрия ямок отвечает симметрии кристалла).

В качестве примера на рис. 1.18 приведена микрофотография монокристалла хлористого натрия, содержащего дислокации. Большие квадраты на микрофотографии отвечают местам выхода дислокаций.

Рис. 1.18. Ямки травления (выходы дислокаций) на монокристале каменной соли. Увеличено в 450 раз

Метод травления имеет большое число разновидностей (термическое травление путем нагрева в атмосфере определенного состава, химическое травление путем взаимодействия с активными растворами, избирательное растворение, преимущественное окисление, электролитическое травление, катодное распыление, ионная бомбардировка и т. д.).

Взаимно параллельные линии дислокаций, наклоненные к поверхности, например, наклонные границы, дают асимметричные одинаково ориентированные ямки. Ямки травления, образовавшиеся в местах выхода на поверхность гексагональной сетки дислокаций, дают асимметричные ямки, причем последовательные ямки ориентированы по-разному. Если на поверхность выходит петля дислокации любого размера, то последовательным стравливанием поверхности можно найти пространственное расположение дислокационной линии.

При исследовании кристаллов методом ямок травления было установлено, например, что основная часть дислокаций в кристаллах германия и кремния, выращенных из расплава, связана с пластической деформацией в процессе кристаллизации. При этом совершенство кристаллов сильно зависит от кристаллографического направления роста, а дислокации стремятся располагаться в определенных кристаллографических направлениях.

При кристаллизации, дислокации наследуются от затравки введенного в расплав кристаллика, с которого начинается кристаллизация. Они могут быть введены также вследствие плохого контакта между затравкой и расплавом, и, если в кристалле присутствуют дислокации, их число может увеличиваться вследствие термических напряжений. Поэтому для получения бездислокационных кристаллов необходимо применять затравку, не содержащую дислокаций.

Современные конструкционные материалы в основном являются кристаллическими, т. е. обладают периодичностью расположения атомов в пространстве. Для анализа процессов в кристаллах удобно выделять элементарную ячейку — призму (обычно параллелепипед), содержащую определенным образом расположенные атомы.

Большинство технических металлов относится к кубической системе, элементарная ячейка в этом случае имеет форму куба. Если атомы расположены только по вершинам куба, то такая структура носит название простой кубической; если, кроме вершин куба, атомы расположены в центрах всех граней, структура называется гранецентрированной кубической (стримеры: медь, никель); если, кроме вершин, атомы расположены в центре, куба—структура объемноцентрированная кубическая (молибден, вольфрам, железо при комнатной температуре).

В гексагональной системен качестве элементарной ячейки удобно выбирать прямую гексагональную призму (примеры: цинк, кадмий). Для обозначения плоскостей и направлений в кристаллах существует система индексов. Например, индексы (100) и (111) обозначают грань куба и его диагональную плоскость, индексы [100] и [111] обозначают направления, перпендикулярные грани куба и диагональной плоскости.

Если представить атомы равновеликими шарами и плотно уложить их на плоскости (слой А), то наиболее плотная упаковка возникнет, если второй слой (слой В) ляжет в промежутки между атомами слоя Л. Третий слой может состоять из атомов в положениях Л, т. е. возникнет последовательность слоев АВАВАВ... — гексагональная плотноупакованная структура.

Другой возможный вариант — наложение третьего слоя над оставшимися незаполненными промежутками между атомами слоя Л (положения С). Тогда последовательность слоев будет АВСАВСАВС... и возникает гранецентрированная кубическая структура. Эти структуры имеют одинаковые наиболее плотные упаковки атомов.

В кристаллах соединений элементарные ячейки содержат атомы разных сортов. Для анализа кристаллографических явлений применяют стереографическую проекцию, позволяющую наглядно представить углы между различными плоскостями и направлениями в кристалле. В зависимости от характера связанности электронов в кристаллах, можно выделить металлы, полупроводники и диэлектрики. При этом в металлах электроны являются наиболее свободными, а в диэлектриках наиболее связанными.