Дислокации в кристаллах

ДИСЛОКАЦИИ в кристаллах (от средневекового латинского dislocatio - смещение, перемещение), дефекты кристалла, представляющие собой нарушения в правильном расположении атомов, происходящие в окрестности некоторой линии, пронизывающей  кристалл.  Впервые понятие дислокации как топологического линейного источника внутренних напряжений в твёрдом теле, рассматриваемом как сплошная среда, было введено В. Вольтеррой в 1905 году. Однако наука о дислокации начала развиваться только с 1934 года, когда Дж. И. Тейлор, Э. Орован и М. Поляни впервые объяснили атомный механизм пластичности кристаллов как процесс перемещения дислокации (смотри Пластичность кристаллов).

Простейшими видами дислокации являются краевая и винтовая дислокации (рис.). Краевая дислокация представляет собой линию, вдоль которой  внутри  кристалла  обрывается «лишняя» атомная полуплоскость. Такая дислокация может быть получена в результате неполного сдвига верхней части кристалла на один период кристаллической решётки вдоль плоскости, проходящей через ось дислокации. Направление сдвига и его величина определяют основную характеристику дислокации - так называемый вектор Бюргерса, который постоянен вдоль всей линии дислокации и нередко называется её топологическим зарядом. Если сдвиг не перпендикулярен, а параллелен оси дислокации, то дислокация называется винтовой. В этом случае ни одна из атомных плоскостей не обрывается внутри кристалла, но все они смыкаются в единую винтовую поверхность. В месте выхода винтовой дислокации на внешнюю поверхность кристалла образуется ступенька. Лёгкость присоединения новых атомов к такой ступеньке обусловливает так называемый спиральный механизм ускоренного роста кристаллов. Кроме чисто краевых и винтовых дислокаций возможны более общие комбинированные типы криволинейных дислокаций. Линии дислокаций не могут обрываться внутри кристалла, они должны либо замыкаться в петли, либо разветвляться на дислокации с другими векторами Бюргерса (но с той же их суммой), либо выходить на поверхность кристалла.

Применение электронных микроскопов с большой разрешающей способностью позволяет непосредственно наблюдать нарушения в расположении атомных слоёв. Искажение кристаллической структуры вблизи дислокации (так называемое ядро дислокации) охватывает область диаметром в несколько периодов кристаллической решётки. За пределами ядра кристаллическая решётка является локально деформированной, но топологически совершенной. Величина этих деформаций и сопутствующих им дальнодействующих внутренних упругих напряжений в кристалле убывает обратно пропорционально расстоянию от дислокации. Приложенная извне нагрузка, взаимодействуя с полем внутренних напряжений, может приводить к движению дислокации. Перемещение дислокации на заметные расстояния приводит к необратимой (в отличие от упругой деформации) пластической деформации кристалла.

Различают консервативные (без переноса массы) и неконсервативные движения дислокаций. Последний тип движения возможен практически вдоль любого направления (например, под острым углом к экстраплоскости краевой дислокации), но требует повышенных температур, поскольку должен сопровождаться диффузионными потоками точечных дефектов (вакансий или межузельных атомов). При умеренных температурах реализуется лишь консервативный тип движения путём пересоединения связей в ядре дислокации. Это возможно лишь в выделенных плоскостях, называемых плоскостями скольжения и задаваемых совокупностью направлений вектора Бюргерса и линии дислокации.

При смещении дислокации в плоскости скольжения на период кристаллической решётки происходят разрыв атомных связей в дислокационном ядре и пересоединение их в новом положении, эквивалентном исходному, вследствие периодичности кристалла. Подвижность дислокации зависит от характера сил межатомных связей, разрываемых при перемещении дислокации, от взаимодействия с примесными атомами и другими дефектами кристалла, а также с фононами и электронами проводимости. Напряжения, требуемые для вовлечения дислокации в движение по плоскости скольжения, значительно меньше, чем для сдвига части кристалла как целого вдоль этой плоскости при отсутствии дислокации. Разница заключается в несопоставимом количестве разрываемых связей, чем и объясняется пластичность многих реальных металлов, содержащих большое количество дислокаций.

Обычно дислокации возникают уже в процессе роста кристалла. Выращивание бездислокационных или малодислокационных кристаллов представляет собой сложную технологическую задачу, успешно решаемую в полупроводниковой промышленности, обеспечивающей производство транзисторов, компьютерных чипов и т. п. В некоторых других производствах, напротив, наличие определённой плотности дислокаций полезно для обработки материалов (т. к. придаваемая дислокациями пластичность предохраняет материалы от хрупкого разрушения при изготовлении изделий). При приложении к кристаллу нагрузки дислокации начинают размножаться, причём при превышении некоторого порогового значения нагрузки, называемого пределом текучести, размножение дислокации приобретает массовый характер и начинается пластическое течение материала. Поскольку повышение температуры способствует преодолению  барьеров  на  пути  движения дислокации, предел текучести, как правило, понижается при нагревании кристалла. Это свойство издавна используется для облегчения обработки материалов, требующей изменения их формы.

Дислокации  влияют не только на механические свойства кристаллических материалов, такие как прочность и пластичность, но и на многие другие фундаментальные свойства твёрдых тел. Возникновение оборванных атомных связей в ядре дислокации может вести к захвату электронов и связанному с этим влиянию дислокации на электрическое сопротивление, люминесцентные и магнитные свойства материала. Скорость диффузионного перемещения точечных дефектов вдоль оси дислокации («трубочная диффузия»), как правило, выше, чем в объёме совершенного кристалла. Поэтому дислокации способствуют ускорению диффузионных процессов и используются для выведения из кристаллов вредных примесей. Способность вовлекаемых в колебательное движение дислокаций рассеивать механическую энергию приводит к заметному вкладу во внутреннее трение в твёрдых телах.

Лит.: Фридель Ж. Дислокации. М., 1967; Коттрел А. Теория дислокаций. М., 1969; Хирт Дж., Лоте И. Теория дислокаций. М., 1972; Орлов А. Н. Введение в теорию дефектов в кристаллах. М., 1983; Электронные свойства дислокаций в полупроводниках. М., 2000.