Министерство образования Российской Федерации

Омский государственный университет

Физика конденсированного состояния

Часть I введение в физику твердого тела

Учебно-методические указания к выполнению лабораторных работ

для студентов III курса физического факультета

Издание Омск

ОмГУ 2002

УДК 22.37я73

Ф 503

Рекомендовано к изданию ученым советом физического факультета.

Составитель: доцент кафедры физики твердого тела В.И. Дубовик.

Физика конденсированного состояния. Ч. I. Введение в физику твердого тела: Учебно-методические указания к выполнению лабораторных работ для студентов III курса физического факультета / Сост. В.И. Дубовик. – Омск: Омск. гос. ун-т, 2002. – 36 с.

© Омский госуниверситет, 2002

Лабораторная работа № 1

Исследование реальной структуры кристаллов

металлографическим методом

Цель работы: ознакомление с металлографическим методом исследования дислокационной структуры германия.

Принадлежности: кристалл германия, травитель СР-4, микроскоп МИМ-7.

Введение

Для изучения строения твердых тел в настоящее время широко используются электронная микроскопия, электронография, рентгеноструктурный анализ [1]. Однако не потерял своей практической важности и метод оптического исследования травленной поверхности образца. Этот метод, названный металлографическим, прост в выполнении, не требует длительной обработки полученных данных и дорогостоящего оборудования [2]. В некоторых случаях с помощью металлографического метода можно довольно точно установить ориентировку отдельных кристаллов, а также определить кристаллическую структуру слитка и ее дефектность. По современной классификации среди дефектов структуры выделяются: 1) точечные (вакансии, междоузельные состояния, примесные атомы или молекулы); 2) линейные (краевые и винтовые дислокации); 3) поверхностные (границы зерен, поверхность кристалла); 4) объемные (включения гетерогенной фазы) [1]. Указанные дефекты играют определяющую роль при росте кристаллов, при их растворении (особенно в местах, ослабленных дефектами); определяют механические, электрические, оптические и термодинамические свойства.

Применение метода травления основано на формировании видимых резких контрастных ямок травления в местах выхода дислокаций. Необходимым условием формирования таких ямок является определенное соотношение между тремя скоростями растворения. Первая, нормальная скорость травления υ_n направлена вдоль дислокационной линии, по нормали к поверхности. Тангенциальная, или боковая, скорость травления υ_t описывает скорость распространения элементарных ступеней вдоль поверхности. Наконец, скорость υ_p отображает растворение или полировку поверхности в областях, свободных от дислокаций. Эта скорость также направлена по нормали к поверхности. Все три скорости схематически показаны на рис. 1. Абсолютные значения скоростей для некоего кристалла определяются природой и составом травителя, а также условиями травления (например, температурой, перемешиванием трав ителя). Примеси, сегрегировавшие вдоль дислокационных линий, т акже оказывают влияние на величины υ_n и υ_t.

Согласно модели терраса–ступень–перегиб, любая неплотно упакованная плоскость с большими индексами имеет тенденцию к равномерному растворению за счет удаления атомов из многочисленных присутствующих на ней перегибов и ступеней. В случае плоской поверхности растворение возможно только в результате образования двумерных зародышей. Образование таких зародышей происходит в случайных местах, и зародыши, размер которых превышает радиус зародышей критического размера r_c , расширяются, сливаются друг с другом, что вызывает общее растворение данной поверхности. Вследствие своей природы поверхностное зародышеобразование не может привести к локализованным фигурам травления. Однако дефекты решетки, такие как вакансии, примеси и дислокации, служат центрами растворения.

Если вакансии существуют в виде кластеров на поверхности кристалла, причем радиус кластера больше r_c , растворение в этом месте будет спонтанным. Если вакансионные кластеры состоят из нескольких многоатомных кристаллических ступенек, их нельзя наблюдать в обычный микроскоп. В том случае, когда кластеры существуют в виде макроскопических пустот, зародившиеся на них ямки будут видны. Распределение ямок, обусловленных вакансионными кластерами, зависит от термической предыстории образца. Поскольку зарождение ямок травления на вакансионных кластерах не связано с какой-либо энергией активации, ожидается, что их присутствие на поверхности увеличивает макроскопическую скорость растворения. Например, облучение нейтронами кристаллов LiF ускоряет растворение поверхности, по-видимому, вследствие действия такого механизма.

Присутствие примесей может влиять на процесс растворения различным образом. Примесные кластеры в кристалле могут действовать подобно вакансионным кластерам либо декорировать дислокации. Наличие примесей на поверхности может модифицировать кинетику образования зародышей вследствие снижения поверхностной энергии.

Ямки травления, развившиеся на вакансионных и примесных кластерах, не сохраняются при продолжительном травлении и не приводят к локализованному растворению. Однако в том случае, когда в кристалле присутствуют линейные дефекты, т. е. дислокации, которые являются постоянным источниками зародышеобразования, образуются ямки достаточной для их идентификации глубины и геометрии. Скорость травления в местах выхода дислокаций гораздо больше, чем в других точках кристалла [2]. В результате этого в месте выхода дислокации на шлифе после травления образуется ямка, которая всегда представляет собой пирамиду с вершиной, уходящей в глубину шлифа. Форма основания ямки травления зависит от ориентации плоскости, где идет травление.

Для подбора травителя нет однозначных рецептов. Считается, что он должен удовлетворять следующим требованиям:

1. Основа травителя должна быть слабым растворителем кристалла (растворимость в пределах 0,2–0,7 г/л).

2. К основному растворителю целесообразно добавлять хорошо растворимую примесь, катион которой должен образовывать с веществом кристалла устойчивый комплекс (соль).

3. Радиус катиона примеси должен быть близок к радиусу катиона кристалла.

Эти правила, как показывает практика, не являются универсальными. В частности, на различные грани одного и того же кристалла травитель может действовать по-разному.

Т равление краевых и винтовых дислокаций протекает, как правило, с одинаковой скоростью. Краевые дислокации дают более симметричные ямки. Травление выявляет как перпендикулярные поверхности, так и наклонные дислокации. Обычно при наклонном выходе дислокаций на поверхность, подвергающуюся травлению, получаются асимметричные ямки травления (рис. 2).

И

Рис. 2. а – симметричные ямки травления; б – асимметричные ямки травления

а б

Рис. 3. Микрофотографии травления поверхностей двух половинок расколотого кристалла LiF

меются следующие критерии того, что ямки действительно отвечают выходам дислокаций на поверхность:

1. Ямки получаются остроконечными.

2. Повторное травление не приводит практически к увеличению ямок, общая картина сохраняется.

3. На двух поверхностях одного скола получаются зеркально-симметричные картины распределения ямок травления (рис. 3).

Наиболее надежным является последний признак. Но его удается использовать только для плоскостей спайности, которые имеются далеко не у всех кристаллов.

Подсчитав число ямок травления под микроскопом, можно приблизительно оценить число дислокаций, приходящихся на один квадратный сантиметр травленой поверхности шлифа. Расчет средней плотности ямок травления N_d производится по формуле

,

где n – среднее число дислокационных ямок в поле зрения микроскопа; S – площадь поля зрения.