3.3.5. Влияние дислокаций на свойства твердых тел и методы наблюдения дислокаций

В первую очередь дислокации влияют на механические свойства твердых тел (упругость, пластичность, прочность, внутреннее трение), для которых их присутствие часто является определяющим. Упругие поля дислокаций приводят к повышенной концентрации примесей вблизи ее оси и образованию так называемой атмосферы Коттрела, представляющей собой неоднородное распределение точечных дефектов вокруг дислокационной линии. Образование атмосферы Коттрела приводит к закреплению дислокации, и для ее отрыва от примесной атмосферы необходимо значительное механическое напряжение. Такое положение вещей может приводить к коагуляции примесей на дислокации. В прозрачных кристаллах, например, это приводит к изменению оптических свойств, которое выражается в «декорировании» кристалла, т. е. изменении его прозрачности.

Атмосфера примесных атомов, образующихся, как было показано выше, вблизи краевых дислокаций, представляет собой «якорь», удерживающий дислокацию около определенного положения. Малые напряжения сдвига t  вызывают медленное движение дислокаций вместе с окружающей их атмосферой примесей. При достаточно больших напряжениях возможен отрыв дислокации от ее атмосферы, и начинается быстрое движение дислокации. Это явление объясняет возникновение так называемого «зуба» текучести, наблюдаемого на диаграмме деформации при пластической деформации некоторых металлов и сплавов, содержащих малые концентрации  вес. % атомов внедрения, например углерода C в железе Fe, азота N  в b - CuZn и других. На рис. 3.28 показано изменение зависимости напряжения (t) деформации при нагружении образца. При первом нагружении (рис. 3.28, а) вначале происходит медленная упругая деформация, затем появляется зубец, за которым начинается пластическая деформация при меньшем внешнем напряжении, сопровождающаяся постепенным упрочнением материала. После разгрузки образца и немедленного его повторного нагружения (рис. 3.28, б) зуб текучести не появляется. Это связано с тем, что за короткое время дислокации не успевают «обрасти» атмосферами примесных атомов и легко движутся. Если после разгрузки провести отжиг образца (длительный прогрев при высокой температуре), то при приложении механической нагрузки зуб текучести появляется вновь (рис. 3.28, в).

 

Рис. 3.28. Возникновение «зуба» текучести на диаграмме деформации: а − появление «зуба» текучести при нагружении образца, б − его отсутствие при повторном немедленном нагружении, в − зуб текучести появляется вновь после длительного отжига образца [55]

 

С явлением движения дислокаций в твердом теле связаны такие технически важные процессы, как упрочнение и разупрочнение материала при пластической деформации и отжиге. При движении дислокации приложенное напряжение совершает работу, одна часть которой идет на увеличение энергии дислокации, другая рассеивается в виде тепла, и третья часть расходуется на образование в пластически деформированном теле структурных дефектов, увеличивая его внутреннюю энергию. Увеличение внутренней энергии связано с искажением решетки пластически деформированных кристаллов из-за значительного увеличения плотности дислокаций, их скопления на препятствиях, увеличения концентрации точечных дефектов, образующихся в «шлейфах» движущихся дислокаций, и т. д. Порча решетки при пластической деформации, называемая в технике «наклепом», проявляется в упрочнении пластически деформированного тела, т. е. в повышении его сопротивления дальнейшим пластическим сдвигам, появлении хрупкости и т. д. Наклеп происходит в условиях холодной деформации, когда скорости самодиффузии и диффузии, а также снятие внутренних напряжений (отдых) малы.

Дислокации изменяют оптические свойства кристаллов, на чем основан метод наблюдения изолированных дислокаций в прозрачных материалах. Нарушение регулярности кристаллической решетки в ядре дислокации приводит к тому, что в местах выхода линий дислокаций на внешнюю поверхность твердого тела химическая устойчивость кристалла ослабляется, и специальные реагенты способны разрушить окрестность оси дислокации, образуя видимые под микроскопом, а иногда даже невооруженным взглядом, ямки (рис. 3.29). На этом основан метод избирательного травления, являющийся основным методом наблюдения отдельных дислокаций в массивных образцах непрозрачных материалов.

 

Рис. 3.29. Ямки травления, используемые для определения плотности дислокаций [52]

 

Возникновение системы «оборванных» связей в ядре дислокации выделяет линию дислокации в электрическом, магнитном и оптическом отношении. Дислокация может нести или захватывать электрический заряд и обладать намагниченностью, отличной от средней намагниченности кристалла. Наличие дислокаций повышает электросопротивление проводников и изменяет концентрацию свободных электронов в полупроводниках. Значительную роль играют дислокации в магнитных кристаллах, существенно влияя на различные релаксационные явления.

Дислокации косвенно влияют на свойства кристаллов, зависящие от характера распределения и перемещения в них точечных дефектов (примесей, вакансий, центров окраски и др.). Во-первых, при определенном характере движения дислокация испускает или поглощает вакансии (переползание дислокации), изменяя их общее количество в кристалле. Динамическое образование заряженных вакансий в ионных кристаллах и полупроводниках может сопровождаться свечением (люминесценцией) кристалла. Во-вторых, скорость диффузионного перемещения точечных дефектов вдоль оси дислокации, как правило, больше, чем скорость их диффузии через объем регулярного кристалла. Коэффициент линейной диффузии вдоль дислокации может на несколько порядков превышать коэффициент объемной диффузии. Поэтому дислокации играют роль «дренажных трубок», по которым точечные дефекты довольно легко могут перемещаться на большие расстояния в кристалле. На этом явлении основан метод декорирования дислокаций. Он позволяет искусственно создать атмосферу примесных атомов вокруг дислокаций и сделать их видимыми. На рис. 3.30, а показана сетка дислокаций, а на рис. 3.29, б − дислокационные петли в кристалле хлорида калия (KCl), выявленные методом декорирования частицами серебра. Вследствие взаимодействия дислокаций возникает вторичная квазипериодическая структура сетки. Недостатком метода декорирования является изменение состояния кристалла за счет внедрения примесей в его кристаллическую решетку.

 

Рис. 3.30. Микроскопический снимок дислокаций, выявленных методом декорирования частицами серебра: а − сетка дислокаций; б − дислокационные петли в кристалле хлористого калия [55]

 

В совершенном кристалле ширина рентгеновской дифракционной линии мала.. В реальном кристалле вследствие его искажения (искривление атомных плоскостей, образование блочной структуры и т. д.) ширина линии увеличивается. Это приводит к дифракционному контрасту, позволяющему обнаружить дислокации в кристалле, если их плотность невелика. На этом эффекте основывается метод рентгеновской топографии. На рис. 3.31 приведена топограмма почти идеального кристалла кремния, на которой хорошо заметны отдельные дислокации.

 

Рис. 3.31. Дислокации в почти совершенном кристалле кремния, наблюдаемые методом рентгеновской топографии [55]

 

Плотность дислокаций в данном случае приблизительно 100 1/см². При большой плотности возникает дислокационный лес, не позволяющий различать отдельные дислокации.

На явлении рассеяния электронов кристаллической решеткой твердого тела основан метод электронной микроскопии. Нарушения регулярной структуры кристалла в виде дислокаций в большинстве случаев достаточно хорошо выявляются на электронно-микроскопических изображениях. Просвечивающий электронный микроскоп (рис. 3.32) позволяет получить информацию о расположении и форме дефектов в объеме исследуемого образца, представляющего собой тонкую пленку [71]. Метод просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения при определенных условиях дает возможность обнаруживать и точечные дефекты.

 

 

Другой метод микроскопии - растровая (сканирующая) электронная микроскопия - основан на рассеянии электронов на потенциальном рельефе поверхности и приповерхностных слоев твердого тела. Он позволяет получить изображение дефектов, расположенных как на поверхности исследуемого образца, так и на глубине в доли микрона под ней. Вид растрового электронного микроскопа представлен на рис. 3.33.

 

Рис. 3.33. Сканирующий электронный микроскоп