Дефекты в наноматериалах

Для наноматериалов различают нульмерные, одномерные, двухмерные и трехмерные дефекты – соответственно вакансии и межузельные атомы, дислокации, поверхности раздела, полости и нанопоры.

нульмерные	вакансии и межузельные атомы
одномерные	дислокации
двухмерные	поверхности раздела
трехмерные	полости и нанопоры

Вакансии и межузельные атомы относятся к точечным дефектам – то есть к дефектам связанным с "ненормальной" ситуацией вокруг одного атома (отсутствием одного атома, замещением одного атома другим или же появлением "лишнего" атома). Рассмотрим различные точечные дефекты, схематически изображенные на рис. 2.1.

Вакансия. Атом может отсутствовать в некотором узле кристаллической решетки. Такое пустое место называют вакансией.

Междоузельный атом. Атом может разместиться не в узле кристаллической решетки, а в промежутке между атомами - междоузлии, такой дефект называют междоузельным атомом.

Часто вакансия и межузельный атом возникают парами. Такая пара дефектов называетсядефектом по Френкелю. Однако вакансии могут рождаться не только за счет образования межузельных атомов, но и на поверхности тел и на других дефектах решетки.

Так же к точечным дефектам относятся атомы примеси. В случае когда один из атомов может быть замещен атомом примеси,при этом также получается дефект, называемый примесным атомом замещения. Примесный атом может разместиться и в междоузлии, как бы внедрившись в него. Такой дефект, называемый примесным атомом внедрения, часто появляется в случае, когда атом примеси значительно меньше атомов кристалла и в решетке кристалла имеются междоузлия достаточного размера.

а)	б)	в)
Рис.2.1 Точечные дефекты в кристаллической решетке: а - вакансия; б - межузельный атом; в - примесный атом внедрения

Многие малоразмерные объекты практически бездефектны. Для нанообъектов, состоящих из нескольких тысяч атомов равновесные точечные дефекты практически отсутствуют.

Для наночастиц большая доля атомов находящихся в тонком приповерхностном слое по сравнению с микрочастицами заметно возрастает. Свободная поверхность наночастицы является стоком бесконечной емкости для точечных и линейных кристаллических дефектов. При малых размерах частиц этот эффект заметно возрастает, что может приводить к выходу большинства структурных дефектов на поверхность и очистке материала наночастицы от дефектов структуры и химических примесей.

Следующий вид дефектов - это одномерные (линейные) дефекты они представляют собой дефекты кристалла, размер которых по одному направлению много больше параметра решетки, а по двум другим — соизмерим с ним. К линейным дефектам относят дислокации. Общее определение: дислокация — граница области незавершенного сдвига в кристалле. Дислокации характеризуются вектором сдвига (вектором Бюргерса) и углом φ между ним и линией дислокации. При φ=0 дислокация называется винтовой; при φ=90° — краевой; при других углах — смешанной и тогда может быть разложена на винтовую и краевую компоненты.

Вектор Бюргерса получается, если обойти замкнутый контур в идеальном кристалле (рис. 2.2, а), переходя от узла к узлу, а затем этот же путь повторить в реальном кристалле, заключив дислокацию внутрь контура. Как видно на рис. 2.2, б в реальном кристалле контур окажется незамкнутым. Вектор b, который нужен для замыкания контура, называется вектором Бюргерса.

Рис. 2.2 Определение вектора Бюргерса b

У краевой дислокации вектор Бюргерса равен межатомному расстоянию и перпендикулярен дислокационной линии, у винтовой дислокации - параллелен ей.

Полные дислокации легко перемещаются под действием напряжений в отличие от частичных дислокаций, у которых вектор Бюргерса меньше межатомного расстояния.

В кристаллах содержатся дислокации разных знаков, различающиеся ориентацией векторов Бюргерса. Дислокации одного знака, расположенные в одной плоскости, отталкиваются друг от друга, а противоположных знаков — притягиваются.

Плотность дислокаций - это суммарная длина всех линий дислокаций в единице объема. Вдоль дислокаций скорость диффузии на несколько порядков выше, чем сквозь кристаллическую решетку без дефектов.

В наноразмерных объектах поведение дислокаций также достаточно специфично, так с одной стороны, размер кристаллитов часто оказывается меньше характерного размера петли Франка-Рида:и поэтому размножения дислокаций с помощью этих источников не происходит. С другой стороны, дислокации в малых зернах и частицах находятся под действием конфигурационных сил (сил изображения), обусловленных наличием границ раздела и свободных поверхностей. Силы изображения как бы выдавливают дислокации из объема нанокристалла, чему препятствуют силы трения в кристаллической решетке.

Характерный масштаб устойчивости дислокаций L* в нанокристаллах может быть представлен в виде следующего соотношения:

где = (0,1 - 1,0) — коэффициент, зависящий от геометрии дислокаций, - модуль сдвига; b - вектор Бюргерса, - сила Пайерлса—Набарро (сила сопротивления кристаллической решетки движению дислокации).

При размере кристаллитов менее вероятность существования в них дислокаций мала. Дислокации внутри зерен наноматериалов встречаются не столь часто, гораздо чаще дислокации обнаруживаются на поверхностях раздела. Это так называемые зернограничные дислокации и дислокации несоответствия.

Двумерные дефекты представлены поврехностями раздела. Основываясь главным образом на данных, полученных с помощью ПЭМ высокого разрешения, был сделан вывод, что нет особых различий в структуре межкристаллитных границ в наноматериалах и обычных поликристаллических объектах, т. е. встречаются как малоугловые границы, так и большеугловые границы разных типов.

Еще одна особенность структуры наноматериалов состоит в том, что во многих случаях при измерениях плотности наноматериалов фиксируется наличие свободного объема. Например, для нанокристаллических образцов никеля и золота свободный объем (или пористость) составляет от 1,5 до 7,0 %. Одна из возможных составляющих свободного объема — это несплошности на поверхностях раздела.

В предыдущих параграфах мы рассматривали в основном консолдированные структуры. Рассмотрим теперь некоторые другие наноматериалы.

Дата добавления: 2014-01-20