Планарные дефекты представляют собой нарушения идеальной
периодической структуры кристалла, распространяющиеся вдоль плоскостей
атомных решёток. Они оказывают существенное влияние на механические,
электрические, оптические и диффузионные свойства твёрдого тела.
Основными типами планарных дефектов являются границы
зерен, двойники и дислокационные
стенки, а также поверхностные и стеклянные
дефекты на микроуровне.
Границы зерен
Граница зерна — это интерфейс между кристаллографически различными
областями кристалла (зернами), имеющими одинаковый химический состав, но
различное ориентирование решётки.
Классификация границ зерен:
- Высокоугловые границы: угол поворота решётки
>15°. Сильно искажённая структура атомов, высокая энергия, повышенная
диффузионная активность.
- Низкоугловые границы: угол поворота <15°.
Рассматриваются как массивы дислокаций, меньшая энергия, более
стабильные.
Физико-химические свойства границ зерен:
- Увеличенная подвижность атомов вдоль границы, что способствует
ускоренной диффузии.
- Склонность к накоплению примесей и вакансий, формирование локальных
химических неоднородностей.
- Повышенная химическая реактивность по сравнению с объёмной фазой
кристалла.
Методы исследования: трансмиссионная электронная
микроскопия (ТЭМ), рентгеновская дифракция, просвечивающая микроскопия с
поляризацией.
Двойники
Двойник — это участок кристалла, структура которого симметрично
ориентирована относительно плоскости двойника. Плоскость двойника обычно
совпадает с одной из высокоплотных кристаллографических плоскостей.
Особенности двойников:
- Образуются в процессе кристаллизации,
деформации или при термическом
воздействии.
- Способствуют частичной компенсации внутренних напряжений.
- Могут изменять механические свойства материала, повышая пластичность
или создавая локальные зоны повышенной твёрдости.
Типы двойников:
- Механические: возникают под действием внешней
нагрузки.
- Термические: формируются при фазовых превращениях с
изменением объёма решётки.
Влияние на свойства:
- Увеличение прочности и твёрдости.
- Возникновение анизотропии механических и оптических свойств.
Дислокационные стенки
Дислокационные стенки — совокупности линейных дефектов, расположенных
в одной плоскости. Они образуют двумерные структуры, которые можно
рассматривать как псевдоплоские дефекты, влияющие на
макроскопические свойства материала.
Особенности и функции:
- Смягчают локальные напряжения, возникающие при пластической
деформации.
- Могут служить каналами для диффузии примесей.
- Обеспечивают торможение движения других дислокаций, повышая
прочность кристалла.
Влияние на свойства:
- Рост твёрдости за счёт эффекта накладывающихся напряжений.
- Уменьшение пластичности при чрезмерном накоплении дислокационных
стенок.
Поверхностные и
стеклянные планарные дефекты
Эти дефекты связаны с нарушением периодичности на поверхности
кристалла или в тонких слоях, где атомы не занимают положение идеальной
решётки.
Характеристики:
- Образуют высокоэнергетические поверхности с повышенной химической
активностью.
- Способствуют адсорбции газов и жидкостей, ускоряя химические
реакции.
- В аморфных и стеклообразных слоях определяют оптические и
механические свойства.
Применение:
- Контроль роста кристаллов и синтеза наноматериалов.
- Формирование функциональных поверхностей для катализаторов.
Энергетические и
структурные аспекты
Планарные дефекты обладают характерной энергией на единицу площади,
превышающей энергию линейных дефектов, но значительно ниже энергии
разрушения кристалла. Энергия границы определяется степенью искажения
атомной решётки и химической неоднородностью.
Влияние на диффузию и пластичность:
- Ускоренная диффузия вдоль границ зерен (граничная диффузия) играет
ключевую роль при спекании, фазовых превращениях и коррозии.
- Планарные дефекты способствуют пластической деформации при малых
нагрузках и ограничивают её при высоких, создавая сложный баланс между
твёрдостью и пластичностью.
Методы изучения планарных
дефектов
- Электронная микроскопия высокого разрешения —
визуализация двойников и границ зерен.
- Рентгеновская дифракция — определение ориентировки
зерен и параметров дефектных плоскостей.
- Методы поверхностного анализа (AES, XPS) —
исследование химического состава на дефектных плоскостях.
- Молекулярная динамика и моделирование — прогноз
структуры и энергии планарных дефектов.
Планарные дефекты формируют фундамент для понимания механических,
диффузионных и химических свойств твёрдых тел. Их изучение позволяет
целенаправленно управлять структурой материала, создавая высокопрочные,
функциональные и наноструктурированные системы.