Движение дислокаций и прочностные свойства кристалла

Важнейшим свойством реального кристалла является его пластичность, под которой подразумевается перемещение атомных слоев в кристалле параллельно самим себе при сравнительно небольших усилиях.

Идеальный кристалл такой способностью не обладает, а ее возникновение в реальном кристалле связано с его дефектностью.

Рассмотрим, как возникает пластичность (рисунок 4).

Рисунок 4. Схема движения краевой дислокации в кристалле

Предположим, что на идеальный кристалл (рисунок 4,а) оказывается усилие. Чтобы образовалась дислокация, нужно оборвать связи двух рядов атомом вдоль всего кристалла (их выход в плоскость чертежа показан цифрами 1 и 2). Перемещение верхней оборванной полуплоскости из положения 1 в положение 2 приведет к тому, что одна из двух оборванных плоскостей восстановится. Вследствие этого на поверхности кристалла возникает ступенька, а внутри – дислокация (рисунок 4,б).

Т.к. одна из оборванных плоскостей восстанавливается, то это означает, что для образования дислокации требуетсялокальная концентрация энергии, которая обеспечивает полный разрыв всех связей вдоль атомной плоскости лишь одного атомного ряда и перемещение его, по крайней мере, на один период решетки. Эта локальная энергия по величине близка к энергии плавления кристалла, когда обрыв связей становится глобальным и решетка кристалла полностью разрушается.

Для перемещения образовавшейся дислокации еще на один период (рисунок 4,в) потребуются еще меньшие усилия. Для этого необходим разрыв связей в ряду 3, но этот разрыв компенсируется тем, что нижняя полуплоскость 3 затем соединяется с верхней полуплоскостью 2, что приводит к восстановлению одной из оборванных плоскостей. Снятие дислокации с положения б для перемещения в положение в существенно облегчено тем, что часть связей у нее уже оборвана.

Аналогично обеспечивается и дальнейшее перемещение дислокации, вплоть до выхода ее на поверхность кристалла, где она прекращает свое существование, превращаясь в ступеньку (рисунок 4,г). В рассмотренном случае движение дислокации происходит в одной плоскости, которая называется плоскостью скольжения.

Таким образом, движение атомных плоскостей осуществляется последовательно, как бы по эстафете, при сравнительно небольших усилиях. Именно это делает кристалл пластичным.

Перемещение дислокационного типа имеет место и в живой природе – это хорошо всем знакомое движение гусеницы.

Процитируем описание движения гусеницы: «…Для начала попытаемся протащить гусеницу по земле. Сделать это, оказывается непросто, для этого нужны значительные усилия. Они обусловлены тем, что мы пытаемся одновременно оторвать от земли все пары лапок гусеницы. Сама же гусеница перемещается в другом режиме: от поверхности она отрывает только одну пару лапок, переносит их по воздуху, опускает на землю, затем то же повторяет со следующей парой лапок и т.д. После того, как таким образом будут перенесены по воздуху все пары лапок, вся гусеница в целом переместится на расстояние, на которое поочередно смещалась каждая из пар лапок. Ни одну из пар лапок гусеница не волочит по земле. Именно поэтому и ползет легко».

Об этом движении можно рассказать и по-другому, используя рассуждения о дислокациях в кристалле. Пару лапок, не соприкасающихся с землей, можно трактовать как «дефект» в системе. Все остальные лапки – как «землю». Гусеница сместится на один шаг только после того, как такой «дефект» переместится вдоль всего тела гусеницы.

Превращение дислокации в ступеньку не является единственным способом ее исчезновения. Если в кристалле в одной плоскости скольжения движутся навстречу друг другу две дислокации с противоположными знаками, то конечным результатом этого процесса будет их аннигиляция (рисунок 5).

Прочность кристалла зависит от плотности дислокаций в нем, причем эта зависимость не является прямой. При отсутствии дислокаций прочность кристалла должна быть максимальной. При сравнительно небольших или умеренных плотностях дислокаций, когда они свободно перемещаются по кристаллу, прочность понижается и кристалл становится пластичным. При увеличении же плотности дислокаций может возникнуть такая ситуация, когда они мешают движению друг друга, что приводит к снижению пластичности и увеличению прочности.

Рисунок 5. Аннигиляция движущихся дислокаций

Получить кристалл без дислокаций чрезвычайно трудно. В хороших кристаллах для полупроводниковой электроники плотность дислокаций составляет 10…100 см^-2. Удовлетворительными принято считать кристаллы, у которых она не превышает 10³…10⁴ см^-2. Если же кристалл сильно деформирован, то плотность дислокаций достигает в нем 10¹² см^-2 и более.