Ошибка укладки - Википедия - Stacking fault

Сравнение ГЦК- и ГПУ-решеток, объясняющее образование дефектов упаковки в плотноупакованных кристаллах.

В кристаллография, а ошибка укладки это тип дефект который характеризует разупорядочение кристаллографических плоскостей. Таким образом, это считается плоским дефектом.[1][2]

Наиболее распространенный пример дефектов упаковки обнаруживается в плотноупакованных кристаллических структурах. Гранецентрированная кубическая (ГЦК) структуры отличаются от гексагональный плотно упакованный (ГПУ) структуры только в порядке наложения: обе структуры имеют плотноупакованные атомные плоскости с шестикратной симметрией - атомы образуют равносторонние треугольники. При наложении одного из этих слоев друг на друга атомы не находятся непосредственно друг над другом. Первые два слоя идентичны для ГПУ и ГЦК и обозначены AB. Если третий слой расположен так, чтобы его атомы находились непосредственно над атомами первого слоя, стек будет ABA - это структура ГПУ, и она продолжается ABABABAB. Однако есть другое возможное расположение третьего слоя, так что его атомы не находятся выше первого слоя. Вместо этого атомы в четвертом слое находятся непосредственно над первым слоем. Это создает наложение ABCABCABC, которое на самом деле происходит вдоль направления [111] кубической кристаллической структуры. В этом контексте дефект упаковки - это локальное отклонение от одной из последовательностей плотной упаковки к другой. Обычно только одно-, двух- или трехслойные прерывания в последовательности суммирования называются дефектами суммирования. Примером структуры fcc является последовательность ABCABABCAB.

Разломы штабелирования несут заданное образование энтальпия на единицу площади; это называется энергия дефекта упаковки.


Образование дефектов упаковки в кристалле ГЦК

Дефекты упаковки - это двумерные плоские дефекты, которые могут возникать в кристаллических материалах. Они могут образовываться в процессе роста кристаллов, во время пластической деформации, когда частичные дислокации перемещаются в результате диссоциации идеальной дислокации, или в результате конденсации точечных дефектов во время высокоскоростной пластической деформации.[3] Начало и конец дефекта упаковки отмечены частичными линейными дислокациями, такими как частичная краевая дислокация. Линейные дислокации имеют тенденцию возникать на плоскости самой плотной упаковки в направлении самой плотной упаковки. Для ГЦК-кристалла плоскость самой плотной упаковки - это плоскость (111), которая становится плоскостью скольжения, а направление самой плотной упаковки - направление [110]. Следовательно, идеальная линейная дислокация в FCC имеет вектор Бюргерса ½ <110>, который является вектором трансляции.[4]

Расщепление на две частичные дислокации благоприятно, потому что энергия линейного дефекта пропорциональна квадрату величины вектора гамбургера. Например, краевая дислокация может разделиться на две частичные дислокации Шокли с вектором Бюргера 1/6 <112>.[4] Это направление больше не является направлением самой плотной упаковки, и поскольку два вектора гамбургера находятся под углом 60 градусов относительно друг друга, чтобы завершить идеальную дислокацию, две частичные дислокации отталкиваются друг от друга. Это отталкивание является следствием того, что поля напряжений вокруг каждой частичной дислокации влияют на другую. Сила отталкивания зависит от таких факторов, как модуль сдвига, вектор Бургера, коэффициент Пуассона и расстояние между дислокациями.[4]

Поскольку частичные дислокации отталкиваются, между ними возникает дефект упаковки. По своей природе дефект упаковки является дефектом, он имеет более высокую энергию, чем у идеального кристалла, поэтому он снова притягивает частичные дислокации вместе. Когда эта сила притяжения уравновешивает описанную выше силу отталкивания, дефекты находятся в равновесном состоянии.[4]

Неисправности упаковки также могут быть созданы частичными дислокациями Фрэнка с вектором Бургера 1/3 <111>.[4] Существует два типа дефектов упаковки, вызванных частичными дислокациями Фрэнка: внутренние и внешние. Собственный дефект упаковки формируется агломерацией вакансий, и имеется недостающая плоскость с последовательностью ABCA_BA_BCA, где BA - дефект упаковки.[5] Внешний дефект упаковки образуется из интерстициальной агломерации, где есть дополнительная плоскость с последовательностью ABCA_BAC_ABCA.[5]

Визуализация дефектов упаковки с помощью электронной микроскопии

Неисправности упаковки можно визуализировать с помощью электронной микроскопии.[6] Один из широко используемых методов - просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ). Другой - это получение контрастных изображений с электронным каналом (ECCI) в сканирующем электронном микроскопе (SEM).

В SEM приповерхностные дефекты могут быть идентифицированы, потому что выход обратно рассеянных электронов отличается в дефектных областях, где кристалл деформирован, и это приводит к различным контрастам на изображении. Чтобы идентифицировать дефект упаковки, важно распознать точное условие Брэгга для определенных плоскостей решетки в матрице, так что области без дефектов будут обнаруживать небольшие обратно рассеянные электроны и, таким образом, выглядят темными. Между тем области с дефектом упаковки не будут удовлетворять условию Брэгга и, таким образом, будут давать большое количество обратно рассеянных электронов и, таким образом, будут казаться яркими на изображении. Инвертирование контраста дает изображения, на которых дефект упаковки выглядит темным посреди яркой матрицы.[7]

В ПЭМ визуализация в светлом поле - это один из методов, используемых для определения местоположения дефектов упаковки. Типичное изображение дефекта упаковки - темное со светлыми полосами около малоугловой границы зерен, зажатыми дислокациями на конце дефекта упаковки. Полосы указывают на то, что дефект упаковки находится под наклоном по отношению к плоскости просмотра.[3]

Неисправности упаковки в полупроводниках

Много составные полупроводники, например те, которые объединяют элементы из групп III и V или из групп II и VI периодической таблицы, кристаллизуются в ГЦК цинковая обманка или hcp вюрцит кристаллические структуры. В полупроводниковом кристалле ГЦК- и ГПУ-фазы данного материала обычно имеют разные запрещенная зона энергии. Как следствие, когда кристаллическая фаза дефекта упаковки имеет более низкую запрещенную зону, чем окружающая фаза,[8] он образует квантовая яма, что в экспериментах по фотолюминесценции приводит к излучению света при более низких энергиях (более длинных волнах), чем для объемного кристалла.[9] В противоположном случае (большая ширина запрещенной зоны в дефекте упаковки) он представляет собой энергетический барьер в зонной структуре кристалла, который может влиять на перенос тока в полупроводниковых устройствах.

Рекомендации

  1. ^ Прекрасно, Моррис Э. (1921). «Введение в химические и структурные дефекты в кристаллических твердых телах», в Трактат по химии твердого тела Том 1, Springer.
  2. ^ Хирт, Дж. П. и Лоте, Дж. (1992). Теория дислокаций (2-е изд.). Krieger Pub Co. ISBN  0-89464-617-6.
  3. ^ а б Li, B .; Ян, П. Ф .; Sui, M. L .; Ма, Э. Исследование дефектов упаковки и их взаимодействия с пирамидальными дислокациями в деформированном Mg с помощью просвечивающей электронной микроскопии. Acta Materialia 2010, 58 (1), 173–179. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2009.08.066.
  4. ^ а б c d е Hull, D .; Бэкон Д. Глава 5. Дислокации в гранецентрированных кубических металлах. В Введение в дислокации; 2011; С. 85–107.
  5. ^ а б 5.4.1 Частичные дислокации и разломы укладки http://dtrinkle.matse.illinois.edu/MatSE584/kap_5/backbone/r5_4_1.html.
  6. ^ Spence, J.C.H .; и другие. (2006). «Визуализация ядер дислокаций - путь вперед». Филос. Mag. 86 (29–31): 4781. Bibcode:2006PMag ... 86.4781S. Дои:10.1080/14786430600776322. S2CID  135976739.
  7. ^ Weidner, A .; Glage, A .; Sperling, L .; Бирманн, Х. Наблюдение дефектов упаковки в сканирующем электронном микроскопе с помощью контрастного изображения электронного канала. IJMR 2011, 102 (1), 3–5. https://doi.org/10.3139/146.110448.
  8. ^ Антонелли, А .; Justo, J. F .; Фаццио, А. (1999). «Взаимодействие точечных дефектов с протяженными дефектами в полупроводниках». Phys. Ред. B. 60 (7): 4711–4714. Bibcode:1999ПхРвБ..60.4711А. Дои:10.1103 / PhysRevB.60.4711.
  9. ^ Lähnemann, J .; Jahn, U .; Brandt, O .; Флиссиковски, Т .; Dogan, P .; Grahn, H.T. (2014). «Люминесценция, связанная с дефектами упаковки в GaN». J. Phys. D: Прил. Phys. 47 (42): 423001. arXiv:1405.1261. Bibcode:2014JPhD ... 47P3001L. Дои:10.1088/0022-3727/47/42/423001. S2CID  118671207.