Ошибка укладки

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

В кристаллографии дефект упаковки — это плоский дефект , который может возникнуть в кристаллических материалах. ^{[1] [2]} Кристаллические материалы образуют повторяющиеся узоры из слоев атомов. В последовательности этих слоев могут возникать ошибки, которые известны как дефекты упаковки. Дефекты упаковки находятся в более высоком энергетическом состоянии, которое количественно определяется энтальпией образования на единицу площади, называемой энергией дефекта упаковки . Дефекты упаковки могут возникать во время роста кристаллов или в результате пластической деформации. Кроме того, дислокации в материалах с низкой энергией дефекта упаковки обычно диссоциируют в протяженную дислокацию , которая представляет собой дефект упаковки, ограниченный частичными дислокациями .

Ошибка штабелирования

Наиболее распространенный пример дефектов упаковки можно найти в плотноупакованных кристаллических структурах. ГЦК -структуры отличаются от гексагональных плотноупакованных (ГПУ) структур только порядком упаковки: обе структуры имеют плотноупакованные атомные плоскости с шестикратной симметрией — атомы образуют равносторонние треугольники. При наложении одного из этих слоев поверх другого атомы не оказываются непосредственно друг на друге. Первые два слоя идентичны для ГЦП и ГЦК и обозначены AB. Если третий слой расположить так, чтобы его атомы находились непосредственно над атомами первого слоя, то укладка будет ABA — это структура ГПУ, и она продолжает ABABABAB. Однако есть и другое возможное расположение третьего слоя, когда его атомы не находятся над первым слоем. Вместо этого атомы четвертого слоя находятся непосредственно над первым слоем. Это приводит к укладке ABCABCABC, которая находится в направлении [111] кубической кристаллической структуры. В этом контексте дефект упаковки представляет собой локальное отклонение от одной из плотноупакованных последовательностей упаковки к другой. Обычно к дефектам упаковки относят только одно-, двух- или трехслойные прерывания в последовательности укладки. Примером структуры FCC является последовательность ABCABABCAB.

Образование дефектов упаковки в ГЦК-кристалле.

Дефекты упаковки — это двумерные плоские дефекты, которые могут возникать в кристаллических материалах. Они могут образовываться при росте кристаллов, при пластической деформации при движении частичных дислокаций в результате диссоциации совершенной дислокации или при конденсации точечных дефектов при высокоскоростной пластической деформации. ^[3] Начало и конец дефекта упаковки отмечены частичными линейными дислокациями, такими как частичные краевые дислокации. Линейные дислокации имеют тенденцию возникать на плоскости плотнейшей упаковки в направлении плотнейшей упаковки. Для кристалла FCC ближайшей упакованной плоскостью является плоскость (111), которая становится плоскостью скольжения, а наиболее плотно упакованным направлением является направление [110]. Следовательно, идеальная линейная дислокация в FCC имеет вектор Бюргерса ½<110>, который является вектором поступательного движения. ^[4]

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

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

Энергию дефекта упаковки можно определить по ширине диссоциации дислокации, используя ^[4]

${\displaystyle SFE={G{\boldsymbol {b}}_{1}\cdot {\boldsymbol {b}}_{2} \over 2\pi d}={Gb^{2} \over 4\pi d}}$

где и – векторы Бюргерса, – векторная величина диссоциированных частичных дислокаций, – модуль сдвига и расстояние между частичными дислокациями. ${\displaystyle {\boldsymbol {b}}_{1}}$ ${\displaystyle {\boldsymbol {b}}_{2}}$ ${\displaystyle b}$ ${\displaystyle G}$ ${\displaystyle d}$

Дефекты упаковки также могут быть созданы частичными дислокациями Франка с вектором Бюргера 1/3<111>. ^[4] Существует два типа дефектов упаковки, вызванных частичными дислокациями Франка: внутренние и внешние. Внутренний дефект упаковки образуется в результате скопления вакансий, и имеется недостающая плоскость с последовательностью ABCA_BA_BCA, где BA — дефект упаковки. ^[5] Внешний дефект упаковки образуется из интерстициальной агломерации, где имеется дополнительная плоскость с последовательностью ABCA_BAC_ABCA. ^[5]

Визуализация дефектов упаковки с помощью электронной микроскопии

Дефекты упаковки можно визуализировать с помощью электронной микроскопии. ^[6] Одним из широко используемых методов является просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ). Другой метод — контрастная визуализация с использованием электронных каналов (ECCI) в сканирующем электронном микроскопе (SEM).

С помощью СЭМ можно идентифицировать приповерхностные дефекты, поскольку выход обратно рассеянных электронов различен в областях дефектов, где кристалл напряжен, 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 небольшое количество обратно рассеянных электронов и, таким образом, будут казаться темными. Между тем, области с дефектом упаковки не удовлетворяют условию Брэгга и, следовательно, дают большое количество обратно рассеянных электронов и поэтому кажутся яркими на изображении. Инвертирование контраста дает изображения, на которых дефект упаковки выглядит темным посреди яркой матрицы. ^[7]

В ПЭМ изображение в светлом поле является одним из методов, используемых для определения местоположения дефектов упаковки. Типичное изображение дефекта упаковки темное с яркими полосами вблизи пологой границы зерен, зажатой дислокациями в конце дефекта упаковки. Полосы указывают на то, что дефект упаковки находится под наклоном по отношению к плоскости наблюдения. ^[3]

Дефекты упаковки в полупроводниках

Многие сложные полупроводники , например те, которые объединяют элементы групп III и V или групп II и VI периодической таблицы, кристаллизуются в кристаллических структурах ГЦК- цинковой обманки или ГПУ- вюрцита . В полупроводниковом кристалле фазы ГЦК и ГПУ данного материала обычно имеют разную энергию запрещенной зоны . Как следствие, когда кристаллическая фаза дефекта упаковки имеет меньшую запрещенную зону, чем окружающая фаза, она образует квантовую яму , что в экспериментах по фотолюминесценции приводит к излучению света при более низких энергиях (более длинных волнах), чем для объемного кристалла. ^[8] В противоположном случае (более высокая запрещенная зона в дефекте упаковки) она образует энергетический барьер в зонной структуре кристалла, который может повлиять на перенос тока в полупроводниковых устройствах.

Рекомендации

1. Хорошо, Моррис Э. (1921). «Введение в химические и структурные дефекты в кристаллических твердых телах», в « Трактате по химии твердого тела», том 1 , Springer.
2. Хирт, Дж. П. и Лоте, Дж. (1992). Теория дислокаций (2-е изд.). ISBN Krieger Pub Co. 0-89464-617-6.
3. Ли, Б.; Ян, ПФ; Суй, МЛ; 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. doi :10.1016/j.actamat.2009.08.066.
4. Халл, Д.; Бэкон Д. Глава 5. Дислокации в гранецентрированных кубических металлах. Во введении в дислокации ; 2011 г.; стр. 85–107.
5. 5.4.1 Частичные дислокации и дефекты упаковки http://dtrinkle.matse.illinois.edu/MatSE584/kap_5/backbone/r5_4_1.html.
6. Спенс, JCH; и другие. (2006). «Визуализация ядер дислокаций - путь вперед». Филос. Маг . 86 (29–31): 4781. Бибкод : 2006PMag...86.4781S. дои : 10.1080/14786430600776322. S2CID  135976739.
7. Вайднер, А.; Глэйдж, А.; Сперлинг, Л.; Бирманн, Х. Наблюдение дефектов упаковки в сканирующем электронном микроскопе с помощью контрастной визуализации с использованием электронного каналирования. IJMR 2011 , 102 (1), 3–5. дои : 10.3139/146.110448.
8. Ленеманн, Дж.; Ян, У.; Брандт, О.; Флисиковски, Т.; Доган, П.; Гран, ХТ (2014). «Люминесценция, связанная с дефектами упаковки в GaN». Дж. Физ. Д: Прил. Физ . 47 (42): 423001. arXiv : 1405.1261 . Бибкод : 2014JPhD...47P3001L. дои : 10.1088/0022-3727/47/42/423001. S2CID  118671207.