Взаимодействие и взаимопревращение дефектов

До сих пор в очерках этой главы шла речь о «заселении» кристалла дефектами. В заключение главы поглядим на кристалл с иной точки зрения. Пусть он — не вместилище дефектов, а плацдарм их взаимодействия. Из общих соображений ясно, что не может не быть взаимодействия между дефектами. Кристалл, содержащий дефекты, будет стремиться к уменьшению энергии, связанной с ними. Если по какой-либо причине прямое, решение проблемы, состоящее в том, чтобы избавиться от дефектов, кристаллу недоступно, происходить будет другое: содержащиеся в нем дефекты будут взаимодействовать и превращаться так, чтобы их энергия уменьшилась.

Хочу вручить читателю ключ от проблемы взаимопревращения дефектов или, лучше, — указать путеводную ниточку, следуя которой можно понять уже наблюденные взаимопревращения дефектов, а иной раз и предвидеть принципиально мыслимые. Схематически дело обстоит несложно: оправданы и имеют смысл те взаимопревращения, которые ведут к уменьшению энергии. Надо оценить энергии дефектов до и после превращения, из первой энергии вычесть вторую, и, если получится положительная величина, значит, обсуждаемый процесс возможен. Это — критерий термодинамический. А вот осуществится этот процесс или нет — это вопрос иной. Совсем иной! Все зависит от того, существует ли соответствующий механизм, с помощью которого взаимопревращение дефектов, оправдываемое термодинамикой, может произойти. Быть может, дело будет обстоять так: этого механизма нет при комнатной температуре, но он появится при высокой температуре, нет при атмосферном давлении, но он появится при повышенном давлении, нет в спокойно лежащем кристалле, но механизм появится, если кристалл подвергнуть растяжению, или кручению, или сжатию, пли облучению, или вращению в центрифуге. Поиск механизма и условий его осуществления — дело выдумки и творческой фантазии ищущего. Но, как правило, если взаимопревращение двух данных дефектов в принципе целесообразно, необходимый механизм найдется!

Врученная читателю ниточка кажется не очень крученой и не очень длинной. Но вот правильно определить энергию до и после превращения дефектов часто оказывается делом непростым, так как следует учитывать не только энергию изолированных одиночных дефектов в здоровом кристалле, но и те условия, в которых они находятся. Например, приложенные к ним напряжения и др.

Воспользуемся нашей ниточкой и обсудим некоторые взаимопревращения дефектов, наблюдающиеся и в реальных кристаллах, и с помощью моделей, в частности модели БНЛ. Вначале о ситуациях безоговорочно выгодных, когда дефект исчезает. Например: избыточные вакансии исчезают во внутренних границах. Встретившись с границей (или вакансия подошла к границе, или граница подошла к вакансии), вакансия может в ней исчезнуть. Это означает: была и нет! Для вакансии это событие по меньшей мере серьезное: она погибла! Связанная с ней энергия выделилась. А для границы, поглотившей вакансию, это вообще не событие, так как, поглотив «атом пустоты», граница своей структуры, а следовательно, и энергии не меняет. Процесс безоговорочно выгодный: выигрыш есть, проигрыша нет! Очень легко этот процесс наблюдается с помощью модели БНЛ: граница движется и, оставаясь самой собой, сметает встретившуюся у нее на пути вакансию.

В иной ситуации судьба вакансии может постичь границу в целом: она тоже может исчезнуть. Представьте себе, что граница замкнута, что она ограничивает собой блок в кристалле. К замкнутой, а следовательно, и искривленной границе будет приложена сила, обусловленная лапласовским давлением. Она вынудит границу двигаться так, чтобы ее протяженность уменьшилась вплоть до исчезновения. С помощью кинокамеры в модели БНЛ исчезновение замкнутых границ наблюдается отчетливо. Об этом свидетельствует приводимая кинограмма.

Теперь о взаимодействиях, выгодность которых не очевидна. Обсудим их на примере дислокаций. Если дислокации находятся в одной плоскости скольжения и их векторы Бюргерса ориентированы противоположно, им выгодно притянуться друг к другу и, встретившись, исчезнуть, аннигилировать. Если каждая из них имела единичную длину и, следовательно, в ней была запасена энергия ≈ Gb 2,   их аннигиляция будет сопровождаться излучением энергии ≈ 2 Gb 2 ≈ 2• 10-3 эрг.

Если же векторы Бюргерса ориентированы параллельно, то такие дислокации будут друг от друга отталкиваться.

Убедимся в этом, следуя за путеводной ниточкой. Если бы такие дислокации слились, они образовали бы одну дислокацию с удвоенной величиной вектора Бюргерса,  т. е. с энергией

W 2 ≈ G (2 b) 2 = 4 Gb 2.  

А будучи разобщенными, они имели бы энергию

W 1 ≈ Gb 2 + Gb 2 = 2 Gb 2.  

Так как W 2 > W 1  , объединение невыгодно, выгодно отталкивание. А вот если бы такие дислокации находились не в одной, а в параллельных плоскостях скольжения, то, начиная с некоторого расстояния между плоскостями, могло бы оказаться оправданным притяжение дислокаций. При этом они расположились бы одна под другой в связи с тем, что область сжимающих напряжений вблизи одной дислокации частично перекрылась бы с областью растягивающих напряжений вблизи другой дислокации (помните модельный опыт с резиновым жгутом?), и оказалось бы, что W 2 < W 1. Выгодно! Последний случай очень важен для судьбы кристалла. Множество разрозненных идентичных дислокаций, расположившись друг над другом, образуют упорядоченную дислокационную стенку, ансамбль взаимодействующих дислокаций образует границу. Этой возможностью кристалл пользуется очень широко: если в нем поселено множество дислокаций, он предпочтет, упорядочив их расположения, превратиться в мозаичный кристалл. Все по тем же термодинамическим соображениям: выгодно!

Перед глазами читателя я лишь чуть-чуть приоткрыл завесу, за которой — огромная проблема «взаимодействие и взаимопревращение дефектов в кристалле». Именно так: чуть-чуть, в мере, необходимой для того, чтобы к эскизному портрету живого кристалла добавить еще одну черту.

Г Л А В А III