Яков Гегузин - Живой кристалл
Итак, теория встретилась с трудностью — залогом того, что не за горами ее усовершенствование. Оно появилось на кончике пера английского теоретика Франка, размышлявшего о структуре реального кристалла менее дисциплинированно, чем его предшественники. Он усмотрел слабую сторону теории Косселя и Странского в том, что, согласно их представлениям, идеальный зародыш разрастается в идеальный кристалл. Ни в зародыше, ни в кристалле нет дефектов, кристалл растет так, что на его поверхности наслаиваются идеальные атомные плоскости. Именно для этого Косселю и Странскому понадобился идеальный зародыш, который долго не желает появляться, если степень неравновесности невелика. Франк, однако, видел перед собой реальный кристалл, и его логика, очевидно, развивалась следующим образом. От двумерного зародыша надо отказаться. Если даже при очень малой степени неравновесности кристалл растет быстро, на его поверхности, видимо, существует не исчезающая в процессе роста ступенька, к которой пристраиваются одиночные атомы. В этом месте своих рассуждений Франк освободился от гипноза предшественников и высказал неожиданный фантастический домысел: неисчезающая ступенька. В теории Косселя и Странского роль ступеньки играет контур зародыша.
Но в этом случае ступенька должна появиться, разрастись и исчезнуть, когда слой полностью достроится. А по мысли Франка, такая ступенька должна быть всегда, не исчезая в процессе роста. Он предположил, что такая ступенька на поверхности есть следствие дефекта объема кристалла. Этот дефект Франк назвал винтовой дислокацией. Именно Франк поселил в кристалле винтовую дислокацию.
Проще всего представить себе винтовую дислокацию как некую линию, вокруг которой наслаивается кристалл в виде одной-единственной плоскости, подобно винтовой лестнице. Винтовая лестница часто «навинчивается» на центральный стержень. Вот его и следует считать моделью линии винтовой дислокации. Ступенька на поверхности — это обрыв атомной плоскости, накручивающейся вокруг линии винтовой дислокации. Чуть курьезно говоря, согласно Франку, кристалл, содержащий одну винтовую дислокацию, состоит из одной плоскости. Именно она и достраивается в процессе роста. Согласно Косселю и Странскому, плоскости зарождаются и завершают свой рост; согласно Франку, все время растет одна и та же плоскость. У Косселя и Странского — слоистый рост, у Франка — спиральный. Когда степень неравновесности велика, может осуществляться и механизм слоистого роста, а вот когда она мала — помирить эксперимент с теорией может лишь механизм спирального роста.
Мысль теоретика, родившего образ винтовой дислокации, многим вначале показалась фантастической и вызвала к себе настороженное отношение: фантазия, разумеется, необходима для развития науки, но фантазия должна иметь предел.
Но когда через несколько лет после работы Франка экспериментаторы доподлинно увидели так называемый спиральный рост, при котором на поверхности растущего кристалла обнаруживается развивающийся по спирали бугорок, настороженное и скептическое отношение к фантазии теоретика сменилось восторгом перед его проницательностью.
В наши дни спиральный рост по Франку — азбука теории роста кристаллов, винтовые дислокации в кристалле поселились прочно и, как выяснилось, определяют в его свойствах очень многое.
О многом рассказать я не могу. А вот о том, как винтовые дислокации участвуют в пластическом деформировании кристалла, расскажу. Как и в случае краевых дислокаций, это удобнее всего сделать, обсуждая один из простейших типов деформирования, а именно сдвиг одной части кристалла относительно другой.
Наличие в кристалле винтовой дислокации, пересекающей поверхность, обусловливает наличие на поверхности ступеньки — это мы уже знаем. Дополним это знание следующим сведением: наибольшая высота этой ступеньки есть вектор Бюргерса дислокации, он замыкает контур, внутри которого находится дислокационная линия.
Вот теперь проследим за сдвигом в кристалле, обусловленным движением винтовой дислокации, воспользовавшись очень простой моделью. Для ее создания необходимы небольшой кусок картона и ножницы. Немного надрежем картон ножницами и, не отделяя ножницы от картона, вглядимся в структуру его поверхности. Увидим: поверхность стала «винтовой», на ней появилась ступенька, высота которой у края картонки наибольшая, убывает вдоль лезвий ножниц и обращается в нуль в конце разреза. У нас есть все основания считать, что в конце разреза расположена линия винтовой дислокации, пронизывающая картон. Очевидно, если мы теперь продолжим работу ножниц, дислокационная линия будет перемещаться от одного края картонки в противоположный, и, когда эта линия пересечет картонку, ступенька превратится в полоску-уступ, шириной равный вектору Бюргерса. А это и означает, что осуществился взаимный сдвиг частей картонки, которая в принятой модели имитирует кристалл.
Наша модель, которая, надеюсь, помогла понять роль винтовой дислокации в процессе деформации сдвига, может оказаться и причиной заблуждения. Дело в том, что ножницы создают «дислокацию в картоне», вектор Бюргерса которой совпадает с толщиной картона, и поэтому одна дислокационная линия, пройдя сквозь кристалл, расчленяет его. А если попроще, — ножницы разрезают картон. Для того чтобы добиться такого эффекта в кристалле толщиной h, надо, чтобы сквозь него прошло п = h/b дислокаций. Скажем, части кристалла сантиметровой толщины окажутся полностью взаимно сдвинутыми (кристалл разрезан!),если его пронижет п = 1см /3.10-8 см = 3. 107 дислокаций. Вот с учетом этой поправки мы и примем модель «картон — ножницы». Итак, винтовая дислокация определяет по меньшей мере две характеристики живого кристалла: она помогает ему быстро расти, если обстоятельства этот рост могут обеспечить, и она помогает ему деформироваться, если обстоятельства требуют этого от кристалла.
дислокационные розетки
Желание рассказать читателю о дислокационных розетках восходит не только к физике явления, но и к эстетике, — уж очень красивы и впечатляющи эти розетки! А в науке — об этом часто и много говорили великие — истина и красота обычно соседствуют. Природа, подчиняющаяся определенным законам и воспитывающая в нас представления о красоте, позаботилась о том, чтобы истина не оказалась уродливой.
Вначале о дислокационных розетках укола. Опыт, в котором такая розетка обнаруживается, ставится и хитро, и просто. Как правило, в кристалле имеется несколько избранных плоскостей, в которых сдвиг осуществляется легче, т. е. при меньших напряжениях, чем в иных, ориентированных произвольно. Это так называемые плоскости легкого скольжения. Например, в ионном кристалле типа NaСl таких плоскостей восемь: в четырех из них легко движутся краевые, а в четырех иных — винтовые дислокации. Если мы приложим силы, ориентированные параллельно соответствующим плоскостям, мы вызовем в них сдвиг, в осуществлении которого участвуют лишь те дислокации, которые легко движутся в этих плоскостях. Если кристалл не сдвигать, а уколоть иглой или индентором, в нем можно возбудить сдвиг одновременно во многих плоскостях. Вокруг укола, вдоль тех прямых, по которым плоскости скольжения пересекают поверхность кристалла, растравливая кристалл по ямкам травления, можно обнаружить выходы дислокаций, ответственных за скольжение, на поверхность кристалла. В согласии с симметрией кристалла эти ямки образуют красивую, симметричную розетку.
Теперь о дислокационных розетках, возникающих, когда через маленький участок поверхности кристалла в его объем диффундируют чужие атомы. Первый опыт, в котором такие розетки были обнаружены, ставился так. На поверхности КС1 располагалась крупинка кристалла КВr, производился отжиг при высокой температуре, а затем с охлажденного образца снималась крупинка и поверхность кристалла протравливалась для обнаружения точек пересечения поверхности линиями дислокаций. При этом обнаруживается розетка фигур травления на дислокациях.
В диффузионном опыте розетка дислокаций возникала в связи с тем, что чужие атомы в кристалле создают в нем напряжения. Они и вызывают движение дислокаций и формирование розетки.
Для чего ставились описанные опыты по обнаружению и исследованию розеток? Отвечу на вопрос строго, оставив эстетику в стороне. Опыты с розетками укола проводились для того, чтобы детально проследить закономерности движения дислокаций, происходящего одновременно во многих плоскостях легкого скольжения. Здесь напряжение создается нажатием на индентор, а розетка — источник сведений о поведении дислокаций. Опыты с розетками, которые формируются в процессе диффузии, ставились с иной целью: выяснить, какие напряжения возникают в области кристалла, в которую в процессе диффузии внедряются чужие атомы. Оказывается, что и форма розетки, и число дислокаций, которые ее образуют, зависят и от величины напряжений, и от того, как эти напряжения распределены. Сравните розетки укола и диффузионные розетки, и вы убедитесь, что напряжения, которые их создали, ориентированы различно. Не будем разбираться в деталях, а удовлетворимся утверждением: различно. И розетки оказываются различными по форме и равно красивыми — как цветы!
