Классификация и физика плоских дефектов в кристаллах
Плоские дефекты (двумерные дефекты) представляют собой нарушения идеальной кристаллической периодичности, ограниченные одной или двумя координатами в пространстве. В отличие от точечных (нулевой размерности) и линейных (одномерных) дефектов, плоские дефекты затрагивают целые плоскости атомов. Они играют ключевую роль в формировании механических, электрических, оптических и диффузионных свойств твёрдых тел.
К основным типам плоских дефектов относятся:
Границы зерен представляют собой области между зёрнами (кристаллитами), обладающими разной ориентацией кристаллической решётки. Они делятся на:
Физически границы зерен характеризуются:
С точки зрения механических свойств, границы зерен могут быть как препятствием для движения дислокаций (укрепление по механизму Холла-Петча), так и каналами для пластичности в мелкозернистых материалах.
Двойники — это особые плоские дефекты, при которых наблюдается зеркальное отображение атомной конфигурации одной части кристалла относительно некоторой плоскости, называемой плоскостью двойникования. Двойникование может происходить как при росте кристалла, так и в результате пластической деформации (деформационные двойники).
Характеристики двойников:
Стоп-линии упаковки возникают в кристаллах с плотной упаковкой, таких как ГЦК и ГПУ структуры, когда происходит нарушение идеальной чередующейся последовательности атомных слоёв.
Для ГЦК решётки идеальная последовательность слоёв описывается как ABCABCABC…, а при нарушении может возникнуть вставка лишнего слоя (например, последовательность ABABCA…), что и образует стоп-линию упаковки.
Физические особенности стоп-линий упаковки:
Поверхности раздела фаз возникают в случае сосуществования различных фаз в одном кристалле. Эти фазы могут отличаться по составу, кристаллической структуре, ориентации или симметрии. Поверхности раздела могут быть:
Такие дефекты важны для описания:
Энергия границы зависит от разности структур фаз, их ориентации и степени когерентности.
Поверхность твёрдого тела можно также рассматривать как частный случай плоского дефекта, поскольку она представляет собой границу между кристаллом и вакуумом (или другой средой). Атомы на поверхности испытывают иные координационные условия, чем в объёме, что приводит к следующим явлениям:
Поверхностные свойства играют ключевую роль в адсорбции, катализе, росте кристаллов и формировании наноструктур.
Энергия плоских дефектов обычно выше, чем у точечных, но ниже, чем у объёмных нарушений структуры. Она определяется потерей координации, локальной релаксацией атомов и нарушением симметрии.
Примеры значений энергии:
Концентрация плоских дефектов определяется условиями роста, обработки (отжиг, деформация, старение), а также внешними воздействиями (механическими, термическими, радиационными). Поведение дефектов под действием температуры описывается уравнением Гиббса:
ΔG = ΔH − TΔS,
где изменение энтальпии связано с образованием дефекта, а энтропия учитывает рост беспорядка в системе. На высоких температурах может происходить рекристаллизация с удалением плоских дефектов.
Механика твёрдого тела существенно зависит от наличия и распределения плоских дефектов. Они:
Особенно значимо влияние в наноструктурированных материалах, где доля границ зерен может достигать десятков процентов от объёма. Это обуславливает необычное сочетание высокой прочности и сохранённой пластичности.
Для наблюдения и анализа плоских дефектов используются следующие методы:
Понимание и контроль плоских дефектов лежит в основе многих технологий:
Точная настройка структуры и плотности плоских дефектов позволяет создавать материалы с оптимальными механическими, электрическими и тепловыми свойствами.