Дислокации в структуре алмаза

Эта структура, которую кроме алмаза имеют важные полупроводниковые материалы германий и кремний, может быть описана как комбинация двух гранецентрированных кубических подструктур, смещенных одна относительно другой на вектор [а/4, а/4, а/4]. Каждый атом в структуре окружен четырьмя соседними атомами, расположенными по углам правильного тетраэдра.

На рис. 3.10, в показано пунктирными линиями расположение атомов в кубической элементарной ячейке алмаза; жирными линиями выделена конфигурация атомов в форме искаженного шестиугольника. Такая конфигурация, носящая в структурной химии название «кресла», позволяет проследить изменения, возникающие при образовании дислокации. Будем в дальнейшем рассматривать кристаллическую решетку с вертикальным направлением оси [111].

Кратчайшим вектором решетки, который можно принять за вектор Бюргерса полной дислокации, является вектор с компонентами [а/2, а/2, 0], или α₁₀₀/2. Этот вектор (половина диагонали грани в кубической элементарной ячейке) соответствует кратчайшему расстоянию между двумя эквивалентными атомами в решетке.

Рис. 3.10. Дислокации в кристаллах со структурами NaCl, алмаза и сфалерита: а) краевая дислокация в структуре NaCl. Проекция на плоскость (001), б) винтовая дислокация в структуре NaCl, в) структура алмаза, г) винтовая дислокация в структуре алмаза, д) структура сфалерита, е) винтовая дислокация в структуре сфалерита

Особенностью структуры алмаза, отличающей ее от структур, рассмотренных ранее, является то, что в кристалле, состоящем формально из однотипных атомов, атомы решетки можно отнести к двум различным группам. У атомов первой группы связи направлены вертикально вверх по [111], у второй группы —вниз по [111]. Плоскости октаэдра (111) расположены попарно, образуя двойные слои, причем каждый из слоев объемной модели содержит атомы только одного типа.

Слои одного двойного слоя соединены между собой одной вертикальной связью на атом, а два соседних двойных слоя — тремя связями на атом. Анализ возможных направлений линий дислокации показывает, что любое направление может быть разбито на участки с ориентировками <110>; например, некоторый вектор α₁₁₁ может быть представлен как

Таким образом, возможные типы дислокаций в решетке алмаза определяются соотношением между различными направлениями типа <110>. Возможны дислокации винтового и краевого типов, а также так называемые 60°-ные дислокации [106].

На рис. 3.10, г изображена винтовая дислокация, для которой вектор Бюргерса и линия дислокации направлены по [110]. То, что дефект является дислокацией, следует из сравнения нормального шестиугольника 7—8—9—10—11—12—7 со структурой 13—2—3—14—15—16—17. В первом случае контур является замкнутым (атом 7 является начальным и конечным при обходе контура), во втором случае возникает невязка контура Бюргерса, соответствующая вектору Бюргерса.

Шестиугольники, окружающие линию дислокации, изменяют свою форму и переходят от конфигурации «кресла» к конфигурации «лодочки». Один из таких шестиугольников 3—14—15—16—17—4—3 изображен на рис. 3.10, г.

Таким образом, направления связей атомов в ядре цилиндра малого диаметра, лежащем вдоль линии дислокации, отличаются от их обычной тетраэдрической ориентации.

Возможен также и другой тип винтовой дислокации — винтовая дислокация, отличающаяся от изображенной на рис. 3.10, г тем, что связи 2—3, 4—5 разорваны и образованы двойные связи 1—2, 3—4, 5—6 и т. д. При этом вместо одной винтовой дислокации образуются две, и искажения структуры несколько меньше, чем при образовании одной винтовой дислокации. Следует отметить, что для перехода одной модели к другой не требовалось перемещения атомов, а все эффекты происходили за счет изменения конфигураций электронов.

В модели, направленной вдоль [110] 60°-ной дислокации, линия дислокации и вектор Бюргерса лежат в направлениях типа <110>, составляющих между собой 60° Лишняя полуплоскость заканчивается свободными связями, которые в значительной степени определяют механические свойства. Можно построить модель краевой дислокации, направленной вдоль [110], с вектором Бюргерса вдоль [110].

В структуре алмаза возможны также и более сложные типы полных дислокаций, возникающих, когда линия дислокации последовательно меняет свою ориентировку от одного направления типа <110> к другому. Геометрические схемы таких дислокаций приведены в работах [10] и [106]. Существуют геометрические схемы для дислокаций в ряде других структур, состоящих из одинаковых атомов (в графите, олове и т. д).