научная статья по теме О МЕХАНИЗМЕ СУЖЕНИЯ И РАСШИРЕНИЯ ЛИНИЙ КИКУЧИ ПРИ ЭФФЕКТЕ ДАЛЬНОДЕЙСТВИЯ Физика

Текст научной статьи на тему «О МЕХАНИЗМЕ СУЖЕНИЯ И РАСШИРЕНИЯ ЛИНИЙ КИКУЧИ ПРИ ЭФФЕКТЕ ДАЛЬНОДЕЙСТВИЯ»

ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2015, № 8, с. 81-83

УДК 539.12

О МЕХАНИЗМЕ СУЖЕНИЯ И РАСШИРЕНИЯ ЛИНИЙ КИКУЧИ ПРИ ЭФФЕКТЕ ДАЛЬНОДЕЙСТВИЯ

© 2015 г. В. В. Козловский1, *, В. Л. Левшунова2, Г. П. Похил3, **, Д. И. Тетельбаум2

1Санкт-Петербургский государственный политехнический университет,

195251 Санкт-Петербург, Россия 2Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского, 603950 Нижний Новгород, Россия 3Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д.В. Скобельцына,

119991 Москва, Россия *Е-таИ: kozlovski@tuexph.stu.neva.ru **Е-таИ: pokhil1@yandex.ru Поступила в редакцию 21.01.2015 г.

В настоящей работе предложена новая модель изменения структуры поверхностного слоя при эффекте дальнодействия, которая состоит в том, что изначально хаотическое распределение дислокационных петель в образце в результате эффекта дальнодействия становится ориентированным, т.е. появляется преимущественное направление. Это связано с напряжением в поверхностном слое образца. По-разному ориентированные кристаллографические плоскости, которые были в равных условиях при хаотической ориентации петель, оказываются в неравных условиях после выстраивания петель, и ширина соответствующих линий Кикучи изменяется по-разному.

Ключевые слова: эффект дальнодействия, линии Кикучи, структура поверхностного слоя, микротвердость, точечные дефекты, дислокационные петли.

БО1: 10.7868/80207352815080107

ВВЕДЕНИЕ

С самого начала обнаружения эффекта дальнодействия изменение микротвердости поверхности образца на стороне, противоположной, подвергающейся воздействию, естественно связывалось с изменением дефектной структуры приповерхностной области [1]. Предполагалось, что увеличивается количество дефектов, например, за счет "выдавливания" к поверхности точечных дефектов из атмосфер Коттрелла, окружающих дислокации. В предыдущей работе [2] было исследовано изменение ширины линий Кикучи, которое происходит в результате эффекта дальнодействия при световом воздействии. Оказалось, что некоторые линии уширяются, что означает ухудшение качества соответствующих этим линиям атомных плоскостей, а другие сужаются, что означает улучшение качества плоскостей. Обнаружение в [2] факта, что линии Кикучи могут не только уширяться, что естественно ожидать при увеличении дефектности, но и сужаться, позволило предположить другие механизмы образования дефектов. Трудно себе представить, что увеличение дефектности приводит к улучшению качества атомной плоскости, что следует из факта сужения соответствующей линии Кикучи. Аналогичное поведение линий Кикучи наблюдалось и

при ионном воздействии. Такой эффект могут дать только ориентированные дефекты, т.е., скорее всего, это либо экстраплоскость, либо вакан-сионная петля. В [2] было высказано предположение, что различное изменение качества атомных плоскостей, по-разному ориентированных, вызвано перегруппировкой точечных дефектов и образованием дислокационных петель, для которых характерно выделенное направление в образце. Но выяснилось, что точечные дефекты никак не влияют на ширину линий, так как они не нарушают периодичность плоскостей. Точечные дефекты лишь увеличивают диффузное рассеяние, не изменяя ширину линии [3, 4]. Поэтому перестройка точечных дефектов в дислокационные петли, которые уширяют линии, независимо от их ориентации, не может объяснить эффект сужения части линий Кикучи. В настоящей работе предложена новая модель изменения структуры поверхностного слоя, которая позволяет понять эффект сужения линий. Гиперзвуковая волна [5], которая генерируется на поверхности, испытавшей внешнее воздействие, достигает противоположную поверхность образца и "встряхивает" среду. Изначально хаотично ориентированные дислокационные петли в результате эффекта дальнодействия перестраиваются так, чтобы по-

6

81

82

КОЗЛОВСКИЙ и др.

Ь

Иллюстрация ограничения когерентной длины рассеяния при наличии дислокаций.

низить энергию системы, и возникает распределение, в котором есть преимущественное направление, связанное с напряжением в поверхностном слое. Поэтому по-разному ориентированные семейства кристаллографических плоскостей, которые были в равных условиях при хаотической ориентации петель, оказываются в разных условиях после выстраивания петель.

МОДЕЛЬ

Итак, действительно, если петли, ориентированные по-разному относительно кристаллографических плоскостей, по-разному изменяют ширину соответствующих линий Кикучи, т.е. при одной ориентации уширение больше, а при другой меньше, то эффект становится понятным. При хаотическом распределении все линии уширяются на какую-то среднюю величину. При выстраивании петель линия, соответствующая семейству плоскостей, ориентация которых близка к ориентации плоскости петель, уширяется больше, чем исходная. Линия, соответствующая эквивалентному семейству плоскостей, но ориентированных почти перпендикулярно плоскости петель, уширяется меньше, чем исходная. Таким образом, получаем и уширение, и сужение линий Кикучи.

В литературе нет теоретических расчетов уши-рения линий Кикучи в зависимости от ориентации дислокационной петли, поэтому рассмотрим модель эффекта.

Ширина линии Кикучи определяется, в основном, динамическими эффектами, т.е. процессом перерассеяния потока электронов. Кинематический механизм в идеальном кристалле дает строго нулевую ширину линии, как для дифракционного пика на бесконечном количестве щелей. Но если в кристалле есть дефекты, ограничивающие длину когерентного рассеяния при углах Брэгга, то это уширяет линию или пик. Как уже упоминалось, точечные дефекты не нарушают периодичность кристалла на больших расстояниях и поэтому не изменяют ширину дифракционных пиков. А протяженные дефекты нарушают такую периодичность, ограничивают длину когерентного рассеяния электронов и дают вклад в ширину линий и пиков. В идеальном кристалле длина когерентности определяется неупругими процессами, а в

дефектном зависит и от структуры, и от концентрации дефектов. Пусть протяженный дефект характеризуется поперечным сечением в направлении потока электронов, в котором нарушается периодичность семейства плоскостей. Например, если поток электронов встречает дислокацию, то электроны, рассеянные в дальнейшем на данном семействе атомных плоскостей, не будут когерентны с электронами, рассеянными до дислокации из-за смещения и искривления этих плоскостей. Собственно, эта длина когерентного рассеяния является длиной свободного пробега, и ее

можно оценить как Ь ~ —, где п — концентрация

па

дефектов (рисунок).

Кинематический вклад в ширину дифракционного пика Брэгга определяется длиной Ь, точнее числом когерентно отражающих плоскостей, т.е. числом плоскостей, пересекаемых электроном, движущимся под углом Брэгга к плоскости [3]. Как видно из рисунка, число отражающих плоскостей порядка

т

ьев -

Размытие пика Брэгга можно оценить как

т

(1)

(2)

X

где ев = — и й — расстояние между плоскостя-2-

ми. Таким образом, из (1) и (2) получаем выражение для уширения линии:

5е = - = п а-. Ь

(3)

Теперь надо оценить величину сечения а. Мы знаем точное выражение для смещения атомов среды в окрестности краевой дислокации [6], поэтому оценки проведем для этого типа дефектов. Имеем выражения для смещения атомов в направлении, перпендикулярном экстраплоскости (х), и для смещения вдоль экстраплоскости (у):

аг^ у +

ху

2 (1 - v)( х2 + у2 )-1

ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ № 8 2015

их =

О МЕХАНИЗМЕ СУЖЕНИЯ И РАСШИРЕНИЯ ЛИНИИ КИКУЧИ

83

2 я

' 1 - 2 v 4 ( 1 - v )

ln (x2 + y2) +

2 2 x - y

4 (1 - v)( x2 + y2 )J

(5)

где b — длина вектора Бюргерса и v — коэффициент Ламе.

На большом расстоянии от дислокации искажение плоскостей (и параллельных, и перпендикулярных экстраплоскости) становится достаточно малым, так что когерентность отраженных пучков электронов не нарушается. Найдем расстояние, которое определяет величину а. Атомные плоскости вблизи дислокации изгибаются и, по мере удаления от дислокации, принимают ту же ориентацию, что и до "встречи" с дислокацией. Угол наклона плоскостей легко найти из (4) и (5). Положим коэффициент Ламе равным v = 0.5. Получаем максимальный наклон плоскостей, параллельных экстраплоскости, в зависимости от расстояния до дислокации:

dux ^ _ь_ (6)

dy nx

а для плоскостей, перпендикулярных экстраплоскости:

duz ^ _ ±-. (7)

dx 4пу

Критическим углом наклона плоскости, т.е. углом, при котором происходит расстройка когерентности, можно считать кинематическую ширину линии (3). Для линейной дислокации в случае плоскостей, параллельных экстраплоскости, получаем:

_ _ b

и для перпендикулярных плоскостей:

b

GL = Укр = ■

(8)

(9)

4п50±

Из равенств (3), (8) и (9) получаем в радианах:

80, =

80ц = 1

nbd п

nbd 80л п 2

(10)

(11)

Таким образом, предложенная модель объясняет, за счет чего может происходить сужение линий

Кикучи или их уширение. Действительно, если в исходном состоянии имеется хаотическое распределение дислокаций (дислокационных петель), то кинематический вклад в ширину линий представляет собой некоторое среднее значение между величинами, полученными из выражений (10) и (11). При выстраивании петель в результате эффекта дальнодействия (благодаря напряжению [7]) уширение линий разное в зависимости от ориентации соответствующей плоскости относительно семейства дефектов. Для плоскостей, параллельных (или близких к параллельности) плоскости дефектов, уширение больше, чем в исходном образце. А для плоскостей, перпендикулярных плоскости дефектов, уширение меньше, чем в исходном образце, т.е. линия сужается! Если концентрация дислокаций порядка 104 см-2, то получаем разумную оценку (близкую к эксперименту) изменения ширины линий порядка 10-3 град.

ВЫВОДЫ

В работе предложена модель возможного изменения структуры приповерхностного слоя образца, которая объясняет сужение некоторых линий Кикучи, наблюдаемое при исследовании противоположной стороны образца вследствие эффекта дальнодействия.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Тет

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