Твердая кристаллическая среда 6 страница

Вицинали. Вицинали – очень пологие (от нескольких градусов до немногих минут) возвышенные участки над основной гранью. Они представляют собой либо грани с весьма сложными индексами, либо ограничены кривыми поверхностями полностью или частично.

Вицинальные образования весьма разнообразны. Часть они выражены очень слабо и их обнаруживают только под микроскопом. В других случаях на гранях кристаллов вицинали настолько выступают, что видимы простым глазом.

При объяснении сущности и происхождения вицинальных граней до недавнего времени конкурировали противоположные группы теорий. В основном немецкие кристаллографы считали вицинали закономерными плоскостями, выражающимися определенными индексами, хотя и довольно сложными, причем относили все простые и вицинальные грани к одной идеальной, нигде не нарушенной пространственной решетки.

Иного мнения придерживалась большая группа наших ученых, к числу которых принадлежали Г.В. Вульф, Е.С. Федоров, О.М. Аншелес и др. Они считали, что кристалл – реальное физическое тело, а не отвлеченный геометрический многогранник. Кристалл никогда не бывает идеально однородным или гомогенным. Можно предполагать, что во время роста кристалла отдельные участки его граней не располагаются в строго параллельном положении. Поэтому и грани кристалла, имеющие простые индексы, не всегда оказываются в идеальном положении, а образуют вицинали. Т.о., вицинали не нужно считать самостоятельными иррациональными гранями или гранями со сложными индексами, а надо видеть в них истинные грани простых символов, отклонившиеся целиком или участками от своего идеального положения.

Самые разнообразные причины могут вызвать появление вициналей. Очень трудно, а порой и невозможно разграничить влияние того или иного фактора на их возникновение. Точка зрения советских ученых получила свое подтверждение в опытах Г.Г. Леммлейна, одним из первых установившего спиральное строение вициналей. Известен его опыт с кристаллами квасцов, на грани октаэдра которых он проводил едва заметную царапину и опускал кристалл в пересыщенный раствор на несколько секунд. Около царапины сначала вырастало множество мелких вициналей, затем число их уменьшалось и через 2 – 3 мин сохранялось лишь несколько крупных вициналей, покрывающих всю грань октаэдра. В.А. Шубников полагает, что из множества причин, следует выделить две главные: расщепление кристалла во время роста и сращивание кристаллов.

Механические примеси часто захватывают в кристалл при его росте. Если какая-либо крупинка, включенная в кристалл, находится недалеко от их поверхности, то при понижении температуры эта крупинка действует как клин, расщепляющий кристалл. Возникающая трещина может или зарасти, или остаться свободной. В обоих случаях участки грани по разные стороны от трещины остаются под некоторым углом друг к другу (рис. 3.15). Если инородная твердая крупинка не захватывается, а оттесняется, то она оставляет на своем пути включения маточного раствора в виде канала (рис. 3.16). Эти каналы как слабые места тоже могут стать источниками трещин. А.В. Шубников подчеркивает, что расщеплению подвергаются на разных этапах своего развития почти все кристаллы.

Вторая причина образования вицинальных граней состоит в сращивании кристаллов. Идеальный рост кристалла предполагает, что на его гранях отлагаются ионы, атомы и молекулы в строго определенном порядке. При росте идеального кристалла возможны различные

нарушения такого порядка. Степень совершенства кристалла определяется величиной агрегатов из тех частиц, которые строят реальный кристалл. Пусть идеальная грань АВ кристалла растет путем прилипания к нем молекулярных агрегатов и рост ее происходит слоями. Так как эти агрегаты могут хотя бы незначительно отличаться друг от друга по своим размерам, то как бы плотно они не стремились расположиться на грани АВ, сохраняя параллельность своих решеток, все же без промежутков им не удается покрыть плоскость АВ даже в первом слое. В следующих слоях по той же причине кроме пустот будут появляться и непараллельность расположения агрегатов. С уменьшением размеров агрегатов строение кристалла должно приближаться к идеальному.

Механизм образования вицинали может быть представлен следующим образом. Для каждой грани существует критическое пересыщение, ниже которого рост практически не наблюдается, за исключением роста акцессорий (всякое искажение грани кристалла). По мере увеличения пересыщения отношение тангенциальной скорости роста грани к нормальной сдвигается в строну последней, вследствие чего возникают вицинали как результат отставания последовательных слоев друг от друга. Крутизна холмика роста увеличивается по мере увеличения пересыщения.

Спирали роста, депрессии. Различают три вида спиралей:

1) Элементарные спирали роста, возникающие по простой дислокации. Высота ступеньки такой спирали равна параметру элементарной ячейки.

2) Спирали, берущие начало в укрупненных дислокациях. Высота шага такой ступеньки является кратным числом по отношению к высоте элементарной ячейки.

3) Переплетенные спирали, в которых высота ступеньки составляет часть параметра элементарной ячейки. Эти спирали непосредственно связаны с явлением политипии.

Спирали разнообразны по размерам: высота тонкой спирали составляет несколько десятков ангстрем.

Когда возникают равной величины и одного знака две винтовые дислокации, расположенные на расстоянии, меньшем ρ_к, они соединяются и ведут себя подобно одной дислокации удвоенной величины. По мере увеличения расстояния между ними выступы, образующиеся от одной спирали А, будут пересекаться с выступами, образующимися от другой В (рис. 3.17).

Спиральные депрессии (ямки роста) в отличие от спиральных холмиков характеризуются углом 2-3^° отклонения контура от кристаллографического направления. Механизм образования таких спиралей изучен недостаточно.

Фигуры травления. Фигуры травления на гранях кристаллов можно получить путем подбора соответственного растворителя (травителя) и режима травления.

Фигуры травления большей частью представляют «отрицательные кристаллы», ограненные плоскостями, параллельным или возможным граням кристалла.

По форме фигур травления и их ориентации кристаллографы судят о присутствии тех или иных элементов симметрии и о том, представляет ли данное тело монокристалл, поликристалл или двойник.

Иногда фигуры травления настолько малы, что даже под микроскопом трудно фиксируются. В таких случаях о симметрии фигур травления судят по световым фигурам, которые проектируются на экран при отражении света от грани или при прохождении света от точечного источника через пластинку, вырезанную параллельно грани.

Изучение световых фигур основано на принципе максимального блеска. Соответствующий метод состоит во вращении под микроскопом протравленного шлифа, который освещен косым падающим светом, и в определении угла между двумя максимальными отблесками отдельных кристаллов. Максимальные вспышки происходят в те моменты, когда свет будет отражаться от соответствующей грани фигуры травления. По числу вспышек можно определить ориентацию кристалла.

С 1953 г. изучение фигур травления стало методом обнаружения дефектов строения кристаллов: краевых и винтовых дислокаций, точечных дефектов, границы зерен и субзерен в моно- и поликристаллах. В основе метода лежит предположение о связи между ямками, образующимися при травлении на поверхности кристалла, с выходами на эту поверхность дефектов. Растворение и испарение кристалла начинается прежде всего с дефектных мест структуры, так как здесь ионы, атомы и молекулы обладают повышенной химической активностью. Фигуры травления, возникающие на разных дефектах, характеризуются различными формами и расположением. Фигуры на точечных дефектах в форме плоскодонных ямок располагаются на гранях хаотически и существуют кратковременно. Фигуры, возникающие на дислокациях, имеют форму пирамидальных ямок и для них, как правило, характерно секториальное распределение. При травлении многих кристаллов разных веществ обнаружено, что спирали роста быстро стравливаются и оставляют за собой ямки. Расширяясь и углубляясь, они принимают определенные формы и в конечном счете образуют даже сквозные дырки.

5) Трехмерные дефекты

Трехмерные дефекты являются частным случаем одномерных. Вакансии могут объединяться в дивакансии, тривакансии, вакансионные тетраэдры. Скопления многих вакансий – кластеры (cluster (англ.) – пучок, гроздь) – образуют поры, пустоты.

Междоузельные атомы могут объединяться в гантель, в линейную конфигурацию – кроудион (crowd (англ.) - толпа) или же собираться в пластины. Все эти дефекты менее устойчивы, чем одиночные, потому что для них необходима значительно большая энергия образования.

Эта энергия тратится не только на разрыв связей, но и на искажение решетки вокруг дефекта, вызванное смещением атомов из равновесных положений.

Лекция 4. Методы морфологического исследованиякристаллов

1) Классификация методов исследования кристаллов

1. оптические

· метод поляризационно-теневой установки: применяется для качествен­ного исследования дефектов, связанных неоднородным распределением примесей.

· Метод микрофотосъемки: определяет плотность дислокаций, характер их распределения, топографию поверхности.

· Гониометрия: используется для исследования тонких скульптурных осо­бенностей поверхности: штриховка, вицинали, мозаичность, расщеп­ленность блоков.

· Метод конометрии: для наблюдения двойников, блочности, следов сколь­жения, угла разориентировки оптических осей, напряжения в кри­сталле и аномальную скорость.

· Электронно-микроскопический метод: позволяет преобразовать невиди­мое электронное изображение в видимое.

· Метод фазового контраста: позволяет превратить изменение фаз в объ­екте в изменение освещенности в изображении.

· Метод голографии: позволяет наблюдать интерференцию волн, вести на­блюдение за распределением неоднородности, то есть наблюдать объ­емный характер поверхностных явлений.

· Метод рассеяния света в кристаллах: позволяет определять число мик­ровключений на единицу объема относительное содержание коллоид­ных включений, приблизительную оценку размеров и форм частицы.

· Интерференционная микроскопия и интерферометрия: позволяет сделать количественную оценку неоднородности показателя преломления, а также неровности микрорельефа поверхности кристаллов.

2. дифракционные

· Рентгеновская дифракционная топография: используется для изучения реальной структуры кристалла. Данный метод дает возможность исследовать толстые и достаточно большие образцы. В этом методе используется брэгговское рентгеновское отражение, а дифракционный контраст получается из-за того, что локальная деформация решетки, связанная с дефектом, изменяет условия отражения и рассеяния рентгеновских лучей. Интенсивность дифрагированного рентгеновского пучка вблизи дефекта уменьшается, вследствие чего дефект виден как темная линия на общем светлом фоне.

3. химические

· Метод декорирования: дает возможность изучить рельеф поверхности, включает в себя:

- Посеребрение;

- Введение примеси;

- Аддитивное окрашивание;

· Метод травления: позволяет определить плотность дислокаций, геометрию их расположения, наклон дислокаций к поверхности, дислокационные петли – трехмерное распределение дислокаций; включает в себя:

- Термическое травление;

- Химическое травление;

- Травление при растворении;

- Избирательное окисление;

- Электролитическое травление;

- Катодное распыление.

2) Оптические методы

Дата добавления: 2014-12-07