Противофазный домен

Антифазный домен (APD) — это тип плоскостного кристаллографического дефекта , в котором атомы в области кристалла расположены в порядке, противоположном порядку в идеальной решеточной системе . На протяжении всего APD атомы находятся на участках, обычно занимаемых атомами другого вида. Например, в упорядоченном сплаве AB, если атом A занимает участок, обычно занимаемый атомом B, образуется тип кристаллографического точечного дефекта , называемого антисайтовым дефектом. Если вся область кристалла транслируется таким образом, что каждый атом в области плоскости атомов сидит на своем антисайте, образуется антифазный домен. Другими словами, APD — это область, образованная из антисайтовых дефектов родительской решетки . По обе стороны от этого домена решетка по-прежнему идеальна, а границы домена называются антифазными границами. [1] Важно то, что кристаллы по обе стороны от антифазной границы связаны трансляцией, а не отражением ( кристаллический двойник ) или инверсией (инверсионный домен).

Механизм

Эти планарные дефекты похожи на дефекты упаковки , поскольку они часто создаются посредством скольжения атомных плоскостей и движения дислокаций, но степень трансляции варьируется. В дефектах упаковки область несоответствия упаковки ограничена двумя частичными дислокациями, и образуется протяженная дислокация . Для антифазных доменов, которые демонстрируют только химический беспорядок, область ограничена двумя сложными дефектами упаковки, которые демонстрируют как беспорядок укладки, так и химический беспорядок. [1] Таким образом, для полного восстановления порядка кристалла требуется 4 частичных дислокации. Это можно увидеть на рисунках 1 и 2 ниже. Ширина этих областей определяется балансом сил между отталкиванием одноименных частичных дислокаций и поверхностной энергией областей. По мере увеличения поверхностной энергии антифазной границы степень разделения между частичными дислокациями будет уменьшаться для компенсации.

Решетка Ni3Al

Рисунок 1: На этом рисунке изображены два слоя атомов в кристалле Ni3Al, бинарном сплаве, который часто демонстрирует антифазные границы. Для наглядности атомы в нижнем слое показаны больше, чем в верхнем слое, но на самом деле это не так. Трансляцию верхнего слоя можно разбить на два этапа, обозначенных маленькими стрелками 1 и 2. (b) Частичное скольжение верхнего слоя по короткому вектору 1 приводит к образованию сложного дефекта упаковки. (c) Полное скольжение верхнего слоя с величиной трансляции, заданной единичной трансляцией решетки (1+2), что приводит к образованию антифазной границы. Если верхняя плоскость скользит на два полных расстояния решетки (1, 2, 3 и 4), образуется супердислокация, и это требуется для восстановления идеальной кристаллической структуры. Ожидается, что эта супердислокация, состоящая из двух идеальных трансляций решетки, диссоциирует на четыре различные частичные дислокации, по две с каждой стороны. [2]

Противофазная граница

Рисунок 2: Антифазная граница, созданная четырьмя частичными дислокациями (1,2,3,4), окруженная сложными дефектами упаковки. За пределами этих затененных областей кристалл идеален. [1]

Укрепление порядка

Упрочнение порядка, вызванное взаимодействием дислокаций с упорядоченными выделениями, образующими антифазные границы по мере перемещения дислокаций по всему кристаллу, может привести к значительному повышению прочности и сопротивления ползучести. По этой причине упрочнение порядка часто используется для жаропрочных жаропрочных суперсплавов , используемых в лопатках турбин. [2]

Антифазные домены несут с собой штраф поверхностной энергии по сравнению с идеальной решеткой из-за их химического беспорядка, и наличие этих границ препятствует движению дислокаций по всему кристаллу, что приводит к увеличению прочности при сдвиговом напряжении. На рисунке 3 ниже показан процесс распространения краевой дислокации через упорядоченную частицу. По мере того, как дислокация движется по всей частице, плоскости решетки смещаются из своей равновесной конфигурации, и связи AA и BB образуются по всей плоскости скольжения. Это формирует более высокое энергетическое состояние, чем по сравнению с равновесной конфигурацией связей AB, и изменение энергии называется энергией антифазной границы (APBE). Это может увеличить степень упрочнения, созданного в результате дисперсионного твердения , что затрудняет резку и вместо этого увеличивает вероятность изгиба Орована вокруг осадка. [1]

Укрепление порядка

Рисунок 3: Процесс перемещения краевой дислокации через упорядоченный осадок. На (a) показана идеально упорядоченная частица. На (b) дислокация прошла через часть частицы. На (c) дислокация выходит из осадка, что приводит к увеличению поверхностной энергии из-за увеличения площади поверхности и конфигурации связи с более высокой энергией. [1]

Упрочнение порядка часто характеризуется отношением энергии притяжения антифазной границы (APBE) к энергии отталкивания дислокации (Gb): . Степень упрочнения порядка зависит как от этого отношения, так и от того, находится ли сплав на ранней или поздней стадии преципитации. Когда низкое, отстающая дислокация движется далеко позади лидирующей дислокации, что приводит к раздельному разрезанию выделений, как показано на рисунке 4a. В качестве альтернативы, когда высокое, отстающая дислокация следует близко за лидирующей дислокацией, что приводит к общему разрезанию, как показано на рисунке 4b. На ранних стадиях преципитации увеличение напряжения сдвига можно выразить как: ϵ о г г = А П Б Э Г б {\displaystyle \epsilon _{ord}={\frac {APBE}{Gb}}} ϵ о г г {\displaystyle \epsilon _{ord}} ϵ о г г {\displaystyle \epsilon _{ord}}

τ о г г ≈ 0,7 Г ( ϵ о г г ) 3 / 2 ( ф г б ) 1 / 2 {\displaystyle \tau _{ord}\approx 0,7G(\epsilon _{ord})^{3/2}({\frac {fr}{b}})^{1/2}} для низкого или ϵ о г г {\displaystyle \epsilon _{ord}}

τ о г г ≈ 0,7 Г [ ( ϵ о г г ) 3 / 2 ( ф г б ) 1 / 2 − 0,7 ϵ о г г ф ] {\displaystyle \tau _{ord}\approx 0,7G[(\epsilon _{ord})^{3/2}({\frac {fr}{b}})^{1/2}-0,7\epsilon _{ord}f]} для высокого где G — модуль сдвига, f — объемная доля выделений, r — радиус выделения, а b — вектор Бюргерса дислокации. ϵ о г г {\displaystyle \epsilon _{ord}}

На более поздних стадиях осаждения аналогичные выражения имеют вид:

τ о г г ≈ 0,44 Г ( ϵ о г г ) ф 1 / 2 {\displaystyle \tau _{ord}\approx 0,44G(\epsilon _{ord})f^{1/2}} для низкого или ϵ о г г {\displaystyle \epsilon _{ord}}

τ о г г ≈ 0,44 Г ( ϵ о г г ) [ ф 1 / 2 − 0,92 ф ] {\displaystyle \tau _{ord}\approx 0,44G(\epsilon _{ord})[f^{1/2}-0,92f]} для высокого . [1] ϵ о г г {\displaystyle \epsilon _{ord}}

Сдвиг поперек упорядоченных выделений

Рисунок 4: Движение дислокаций вокруг выделений. [1]

Примеры из литературы

Путаница между инверсионными доменами и антифазными доменами распространена даже в опубликованной литературе, и особенно в случае GaAs, выращенного на кремнии. (Подобные дефекты образуются в GaN на кремнии, где они правильно идентифицируются как инверсионные домены). Пример проиллюстрирован на диаграмме ниже . [3]

Рисунок 4. Выделенная область, показывающая инверсионный домен, неправильно называемый антифазным доменом, в GaAs на Si. [4]

Заштрихованная область B является примером APD. На рисунке GaAs выращивается на разориентированной поверхности Si (подробности здесь не обсуждаются). Разориентация приводит к тому, что атомы Ga и As в области B оказываются на противоположных участках по сравнению с кристаллической матрицей. Присутствие APD приводит к тому, что участки Ga 1, 1', 2, 2', 3, 3' связываются с атомами Ga в APD, образуя APB.

В материалах со смешанным состоянием окисления, таких как магнетит, антифазные домены и антифазные границы доменов могут возникать в результате упорядочения зарядов, даже если нет никаких изменений в расположении атомов. [4] Например, реконструированная поверхность магнетита (100) содержит чередующиеся пары Fe II и пары Fe III в первом подповерхностном слое. [4] Антифазная граница домена может образоваться, если две подповерхностные пары Fe II встречаются, когда две террасы срастаются. [4]

Ссылки

  1. ^ abcdefg Кортни, Томас (2000). Механические свойства материалов . McGraw Hill. С.  203–205 .
  2. ^ ab Cai, Nix, Wei, William (2016). Несовершенства в кристаллических твердых телах . Cambridge University Press. С.  575–577 .{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  3. ^ Хотя в цитируемой ниже журнальной статье подчеркивается самоуничтожение APB, фотография была сделана в качестве иллюстрации APD.
  4. ^ abcd Parkinson, GS; Manz, TA; Novotny, Z.; Sprunger, PT; Kurtz, RL; Schmid, M.; Sholl, DS; Diebold, U. (2012). "Антифазные границы доменов на поверхности Fe3O4(001)". Phys. Rev. B . 85 (19): 195450:1–7. Bibcode :2012PhRvB..85s5450P. doi : 10.1103/PhysRevB.85.195450 .
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Anti-phase_domain&oldid=1249368931"