научная статья по теме ОРИЕНТАЦИОННОЕ УПОРЯДОЧЕНИЕ ТОЧЕЧНЫХ ДЕФЕКТОВ В ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЯХ КРИСТАЛЛОВ Физика

Текст научной статьи на тему «ОРИЕНТАЦИОННОЕ УПОРЯДОЧЕНИЕ ТОЧЕЧНЫХ ДЕФЕКТОВ В ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЯХ КРИСТАЛЛОВ»

ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СННХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2004, < 2, с. 89-94

УДК 539.12.04

ОРИЕНТАЦИОННОЕ УПОРЯДОЧЕНИЕ ТОЧЕЧНЫХ ДЕФЕКТОВ В ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЯХ КРИСТАЛЛОВ

© 2004 г. Ш. X. Ханнанов

Институт физики молекул и кристаллов УНЦ РАН, Уфа, Россия Поступила в редакцию 20.01.2003 г.

На основе развитого термодинамического подхода теоретически предсказан эффект ориентацион-ного самоупорядочения точечных дефектов в поверхностных слоях кристаллических материалов. Данный эффект обусловлен дипольным характером точечных дефектов, возникает без приложения внешних упругих напряжений и может наблюдаться при достаточно высоких температурах.

ВВЕДЕНИЕ

Избыточные точечные дефекты (ТД), распределенные в поверхностных слоях, возникают при самых разнообразных воздействиях на кристаллические материалы. Особенно ярко такая ситуация реализуется при воздействии на поверхностные слои потоками частиц и энергии как с целью исследования, так и модификации материалов [1-5]. Такое воздействие имеет место и в процессе эксплуатации конструкций [6-8]. ТД оказывают влияние на различные физические свойства материалов [1-8]. При этом влияние ТД в сильной степени зависит от состояния, в котором они находятся. Поэтому теоретическое исследование состояния ТД в поверхностных слоях является одной из актуальных задач современной физики.

Настоящая работа имеет как раз такую направленность и ставит своей целью теоретическое исследование состояния ориентационного упорядочения в системе взаимодействующих ТД в специфических для поверхностных слоев условиях стесненной деформации. Ранее [9] ориентационное упорядочение ТД исследовалось применительно к объему кристалла, содержащему однородное распределение ТД и не стесненному для деформаций, вызываемых ТД. В рассматриваемом нами случае задача существенно сложнее, так как распределение ТД является неоднородным (ступенчатым), и в силу стесненности деформаций возникают внутренние упругие поля напряжений. Последние, как будет показано, могут вызывать эффект ориентационного упорядочения ТД в поверхностных слоях в отсутствие внешних напряжений, то есть эффект самоупорядочения, проявляющийся даже при достаточно высокой температуре.

Наше рассмотрение будет связано с некоторой подготовительной работой по выводу уравнений равновесия на основе термодинамического подхода, являющегося развитием подхода [9] применительно к поверхностному слою. Для описания

ТД будем использовать так называемую модель упругого диполя [9].

ТД КАК УПРУГИЙ ДИПОЛЬ

В этом разделе для удобства читателя кратко напомним основные положения модели упругого диполя ТД [9]. Это позволит также объяснить смысл используемых в дальнейшем терминов и обозначений. Считается, что ТД имеет диполь-ный характер, если во внешнем поле напряжений а у происходит изменение ориентации ТД подобно электрическому диполю в электрическом поле Е,. Эта аналогия не является полной. Электрический диполь описывается векторной величиной ц®, а

ТД - тензорной величиной V (р\ где индекс р указывает на ориентацию диполя. В общем случае диполь может принимать п кристаллографически эквивалентных ориентаций, то есть р = 1, 2, ..., п. Обозначим через ир изменение энергии диполя с ориентацией р при приложении внешнего поля: электрического Е в первом и упругого ( во втором случае. Тогда ир определяется соотношениями:

= ->и!р> Е,,

-> v у аУ = ^ 0

(р)а■

Ч

(1)

(2)

Здесь в (2) Vимеет размерность объема, поэтому

удобно ввести безразмерную величину , вынося размерный множитель v0 - атомный объем кристалла матрицы. Величины V, *,р по аналогии рассматриваются как тензорные компоненты упругого диполя. Из (2) следует, что величина V<р имеет физический смысл однородной деформации, которую испытывает нестесненный физически

и

р

и

р

Схема поверхностного слоя полубесконечного кристалла.

малый объем кристалла при внесении единичной концентрации ТД с ориентацией р. При этом концентрация пр определяется как число ТД на единицу

(р)

име-

,.(р) = К р) = * дпр. ц дСр,

(3)

где £ц - компоненты макроскопической деформации кристалла, Ср = Пр\0. Далее используется ис-

1 (р)

ключительно тензор К Ц , который принято назы-

вать К-тензором. Поскольку К Ц = КЦ , то поворотом системы координат К-тензор можно привести к диагональному виду:

,(р)

К1 0 0 0 К2 0 0 0 К3

(4)

УРАВНЕНИЯ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОГО РАВНОВЕСИЯ ТД В ПОВЕРХНОСТНОМ СЛОЕ

Рассмотрим в качестве термодинамической системы избыточные ТД, которые равномерно распределены в поверхностном слое полубесконечного кристалла (рисунок). Кристалл занимает полупространство х < 0 в прямоугольной системе координат х, у, г (ось г перпендикулярна плоскости рисунка); поверхностный слой (в нашей модели толщина слоя Ь > а - параметра решетки) выделен штриховкой. В остальном объеме кристалла, отделенном от поверхностного слоя когерентной границей раздела Г, избыточные ТД отсутствуют. Когерентность границы раздела Г означает, что компоненты полной деформации еЦ удовлетворяют условиям:

[£22 + е22

] = 0;

[£23 + е2з] = 0; [£33 + е3з] = 0, (5)

объема матрицы кристалла. Параметры К ют тот же смысл, только концентрация ТД Ср определяется в атомных долях. Таким образом,

где Кх, К2, К3 - главные значения, которые не зависят от р. Сумма главных значений (Кх + К2 + К3) определяет относительное изменение объема; разности главных значений (К2 - К3), (Кх - К3), (Кх - К2) определяют изменения формы кристалла в сечениях, нормальных к первой, второй и третьей главным осям, соответственно.

Следует сказать, что модель упругого диполя широко применима как в случае элементарных (например, одиночный межузельный атом), так и составных (например, пара межузельных атомов) ТД (рис. 4 и рис. 7 в [9]).

где [...] - означает скачок деформации, которая складывается из деформации слоя, вызываемой

ТД, £ц и деформации еЦ под действием внутренних напряжений а'к1. Стесненность деформации поверхностного слоя, определяемая условиями (5), составляет главную особенность рассматриваемой неоднородной задачи по сравнению с ранее рассмотренной однородной задачей для бесконечного кристалла [9]. При этом нам потребуется заново получить уравнения термодинамического равновесия ТД.

Помимо (5) необходимо указать также кинетические условия. В процессе рассматриваемого ориентационного упорядочения ТД должны совершать локальные перестройки: изменять свою ориентацию или переходить из одной конфигурации в другую. При Ь > а характерное время локальных перестроек тЬ < Тв - характерного времени диффузионного перераспределения ТД. Поэтому при рассматриваемых временах г, удовлетворяющих условию

Ть < г < тв, (6)

диффузионные процессы можно не учитывать и считать ТД находящимися в состоянии термодинамического равновесия относительно быстрого процесса ориентационного упорядочения.

Как и в [9], для общности будем предполагать, что имеется два сорта избыточных ТД (I и I*), между которыми возможны переходы

I -—► I*. (7)

При этом ТД сорта I могут принимать р = X, 2, ..., п, а ТД сорта I* - г* = X, 2, ..., п* кристаллографически эквивалентные ориентации. Концентрацию ТД сорта I в ориентации р обозначим через Ср, концентрацию ТД сорта I* в ориентации г* - через С* . Суммарные по ориентациям концентра-

У

х

ции ТД C0 и C* внутри поверхностного слоя подчиняются условию:

Co + C* = £ Cp + £ C* = Ct = const,

(8)

которое справедливо при выполнении кинетического условия (6).

Термодинамический потенциал системы О(ак1, Т, Ср, С*) как функцию внешних напряжений ак1, температуры Т и концентраций Ср, С* удобно вычислять относительно какого-либо состояния сравнения (отсчета). В качестве такового выберем состояние, когда взаимодействие ТД выключено и

отсутствуют внешние (аи) и внутренние (а'к1) напряжения. Избавиться от внутренних напряжений а'к1 фактически можно только, сделав разрез вдоль границы раздела Г. В выбранном таким образом состоянии сравнения соблюдаются условия:

Cp - Co/n ;

Co/C*

C* = C*/n*; (n / n *) exp (A g0/kT),

(9)

S2222 S2233 S2223

S3322 S3333 S3323 . (11)

S2322 S2333 S2323

Здесь sijkl - компоненты тензора упругой податливости кристалла; *кр>, > - компоненты *-тензо-ров для ТД сорта I и I*, соответственно. Переменные %р, %* играют роль параметров ориентацион-ного порядка и определяются как отклонения действительных концентраций Ср и С* от концентраций С0/п и С* /п* в состоянии сравнения (9):

% p = Cp - Co/n; %* = C* — C*/n*

(13)

С учетом внешних а у и внутренних а,у (12) напряжений, а также взаимодействия ТД выражение для О можно представить в виде:

О = Оо(Т) + 'У о £( ^уыа'уак) -2 Уо£( ^ук1ауаы) -

ijkl

ijkl

V o£

' o £CTkl kl

(14)

где £0 - разность свободных энергий одиночных ТД сорта I и I*, к - постоянная Больцмана. Таким образом, в состоянии сравнения нет преимущественной ориентации ТД (концентрации Ср, С* не зависят от ориентации), то есть ориентационный порядок отсутствует.

При переходе в действительное состояние поверхностный слой нагружается напряжениями а'к1 и "склеивается" с кристаллом вдоль поверхности раздела Г. На свободной поверхности (х = 0) внутренние напряжения отсутствуют, так что а'п =

= а'12 = а'13 = 0. Ненулевые компоненты а22, а33, а23 тензора а,к определяются из условий (5) на Г. Введем векторы ( = (а22, а33, а23) и е = (е22, в33, е23) и 3 х 3 матрицу А, где

в, = £*/>(Со/п + %р> + £**(Г)(С*/п* + %*), (10)

A =

Тогда ненулевые компоненты внутренних напряжений а22, а33, а23, составляющие вектор ( и удовлетворяющие условиям (5), можно представить в виде:

-2 -

p r

bpqCpCq + brsCrCs p r

n£dprCpC* + NAgo£%* - NkTSc

где - конфигурационная энтропия, определяемая изменениями ориентаций и переходами (7):

Sc

= -k]£ [ (Co/n + % p) ln (1 + n % p / Co) +

+ %pln(Co/n)] I - k]£[( C*/n + %*):

(15)

s = -A e.

(12)

x ln(1 + n*%*/C*) + %*ln(C*/n*)] I + const.

Здесь V0 = Nv0, N - число атомов в единице объема, Sykl - тензор упругой податливости кристалла,

bpq, b*s, dpr - константы взаимодействия ТД. Термодинамический потенциал G(14) содержит постоянный член G0(T). Второй и третий члены в (14) учитывают упругую энергию, четвертый

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком