14. Миграция точечных дефектов.

1Вакансии

Атомы, совершающие колебательные движения в узлах кристаллической решетки непрерывно обмениваются энергией, из-за хаотичности теплового движения энергия неравномерно распределяется между разными атомами. В какой-то момент времени атом может получить от соседей такой избыток энергии, что будет в состоянии перескочить в соседнее положение решетки. Так осуществляется миграция вакансий в кристалле.

Если один из атомов, окруженный вакансиями, переместится в вакантный узел, то вакансия, соответственно, окажется на его месте.

Однако для перемещения одного из шаров слоя плотноупакованных шаров в вакантное место он должен несколько раздвинуть соседние шары:

→

Так в ГЦК решетке для перемещения атома из центра передней грани в вакантный узел, находящийся в центре боковой грани, необходимо раздвинуть 4 других атома:

Т аким образом, процесс перехода атома в вакантный узел происходит путем раздвигания 4-х соседей.

Д ля перехода из положения в узле, где энергия атома минимальна, в соседний вакантный узел, где энергия также минимальна, атом должен пройти через состояние с повышенной потенциальной энергией, т.е. преодолеть потенциальный барьер. Такой процесс можно изобразить на рисунке:

ε_M – энергия миграции.

Для осуществления своей цели, атому необходимо получить от соседей избыточную энергию, которую он будет терять при протискавании между соседями. Высота энергетического барьера ε_M называется энергией миграции вакансии.

При передвижении атома в вакантный узел смещение соседних атомов невелико и энергия миграции вакансии небольшая.

Частота перескоков в новом положении, совершаемых в одну секунду, определяется по формуле:

(7) ,

где ν₀ – частота колебаний атома в направлении перевальной точки, т.е. частота попыток атома перехода в соседний узел (~10¹⁹ с^-1).

2)Межузельные атомы.

Г антель мигрирует из положения 1 в положение 4 (из 5 в 6).В миграции гантелей в соседние положения участвует три атома , при этом гантельный атом 1 смещается в узел 4 , а атомы 2 и 3 в положения 5 и 6 ,соответствующие новой гантели. В этом случае ось гантели (100) в ГЦК решетке поворачивается на угол 90. Краудионная конфигурация межузельного атома должна легко передвигаться вдоль оси краудиона путем эстафетных перемещений атома. Расчеты показывают, что энергия миграции гантели в ГЦК металле по обсуждаемому механизму составляет величину 0,1 эВ. Экспериментальные значения находятся в интервале от 0,01 для Pb до 0,15 эВ для Ni. Как видно эти величины на много меньше энергии миграции вакансий. Гантели очень подвижны даже при t меньше 100К, подвижность вакансий при таких температурах резко уменьшается. Однако это не означает, что в процессах самодиффузии основным является миграция межузельных атомов. Дело в том, что из-за высокой энергии образования межузельных атомов их равновесная концентрация мала по сравнению с концентрацией вакансий.

3)примесные (атомы замещения) мигрируют с помощью миграционного механизма, также как атомы основного металла, но соответствующие элементарные акты миграции совершаются значительно реже. Вероятность нахождения вакансии с атомом примеси безусловно меньше, чем рядом с атомом основного металла.

Диаметр атомов внедрения на много меньше диаметра основных атомов. Атомы внедрения могут интенсивно мигрировать в решетке так как при их перемещение из одной пустоты в соседнюю требуется чтобы соседние атомы раздвинулись незначительно. Особенно легко мигрируют в ОЦК. Это объясняется тем, что в ОЦК решетке внедренные атомы примесей могут мигрировать по междоузлиям, чем атомы основного металла, который может передвигаться по вакансионному механизму. Объясняется это тем, что около каждого внедренного атома всегда имеется несколько пустот куда он может перепрыгнуть, а атому основного металла надо ждать когда рядом окажется вакансия.