Радиационные дефекты.

Под радиационными дефектами понимают нарушения структуры твердых тел, возникающие под действием высокоэнергетической радиации. К ней относят жесткое рентгеновское излуче- ние и у-кванты, высокоэнергетичные электроны, нейтроны. Схематически образование дефектов при облучении пока- зано на рис. 4.34. Высокоэнергетичная частица при столк- новении с атомом кристаллической решетки передает ему энергию, достаточную для разрыва химических связей и его смещения из узла. Далее смещенный атом совершает сериюстолкновений со своими соседями и таким образом теряет приобретенную энергию порциями. Конечно, выбитый атом мо- жет рекомбинировать (вернуться в узел) с образованной ва- кансией. В этом случае дефектообразование не состоится. Возврат в вакансию может происходить не в первично обра- зованную вакансию, а в другую — следствие последовательных скачков соседних атомов.

На рис. 4.34 область, в которой рекомбинация смещенно- го атома с вакансией обязательно происходит, обведена ок- ружностью. Эту область называют зоной неустойчивости. В кристалле эта зона имеет сферическую форму. В теории радиационных дефектов твердых тел предполага- ют, что первичным типом дефекта является пара Френкеля. Обозначим минимальную энергию, необходимую для ее образования Ed.

17) Подпороговые механизмы радиационного дефектообразования. Подпороговое дефектообразование наиболее ярко проявля- ется в щелочно-галогенных кристаллах, хотя имеет место и во многих других. Сущность подпороговых механизмов состоит в возбуждении электронной подсистемы кристалла с последующей передачей энергии атомам кристалла и образованием первичных радиа- ционных дефектов. Происходящее таким образом исчезновение электронных возбуждений называют распадом электронных возбуждений. Электронные возбуждения в свою очередь воз- никают при облучении кристалла рентгеновскими квантами, низкоэнергетичными электронами и даже фотонами ультрафио- летового диапазона. + Подпороговое дефектообразование можно представить в виде следующих стадий: 1. Поглощение кванта и образование экситона; 2. Локализация экситона на двух ионах, например, в щелочно-галогенном кристалле на двух ионах галогена. Этот процесс можно трактовать как возбуждение двухатомной ква- зимолекулы; 3. Диссоциация квазимолекулы из-за кулоновского оттал- кивания с образованием межузельного атома и вакансии. (Возможны и другие механизмы распада квазимолекулы: люминесценция, ис- пускание фонона и др. без образования пары Френкеля). Вероятность радиационного дефектообразования тем выше, чем больше время жизни экситона по сравнению с периодом колебаний атомов решетки. Помимо экситонного механизма подпорогового дефектооб- разования существуют и другие. Таков, например, плазмонный механизм, приводящий при больших интенсивностях облучения и высоких уровнях иони- зации атомов кристалла к возникновению электронно- дырочной плазмы. Такая плазма имеет некую характерную частоту собственных колебаний ω_пл. Квант этих колебаний с энергией hω_пл называется плазмоном. Величины энергий плазмонов в кристаллах с ионным характером химической связи составляют 15—30 эВ. Этого достаточно для создания дефекта. Энергия экситона или энергия рекомбинации электрона с дыркой имеют величины порядка ширины запрещенной зоны не- металлического кристалла, которая в щелочно-галогенных кристаллах велика, и поэтому только в таких кристаллах эти подпороговые механизмы могут иметь место. В ковалент-ных кристаллах с малой шириной запрещенной зоны подпоро- говое дефектообразование происходит по другому — ионизационному механизму. В этом случае внешнее излучение ионизирует одну из глубоких оболочек атома. Например, после ионизации K-оболочки рентгеновским квантом образо- ванная в ней дырка заполнится электроном из другой, на- пример, из L-оболочки. Энергия Ек—Е_L выделится либо в виде кванта, либо передастся другому электрону в той же или в другой оболочке. Электрон, получивший порцию энер- гии E k— E l>покинет атом. В атоме с несколькими внутренними оболочками в результате каскада подобных переходов атом может стать многократно заряженным ионом .. В металлических твердых телах подпороговое дефектооб- разование возможно только в сплавах при дополнительной ионизации внутренних оболочек атомов одного из компонен- тов сплава. Вероятность такого процесса все же чрезвычай- но низка из-за отсутствия ионности в металлической хими- ческой связи и, соответственно, отсутствия изначальной зарядности компонентов в сплаве. ++ Радиационные дефекты обладают, как правило, значитель- ной кинетической энергией, и поэтому они весьма подвижны в кристаллах. Велики вероятности встреч радиационных де- фектов между собой, с другими, не радиационными дефекта- ми. В этих случаях происходят разного рода взаимодействия с образованием ассоциированных дефектов и даже крупных скоплений

15) Диффузионный механизм зарождения пор. Поры, иногда называемые микрокавернами, в твердом теле представляют собой полости, не занятые атомами. Они могут быть открытыми, сообщающимися с внешней средой, окружаю- щей кристалл, и закрытыми, находящимися внутри кристалли- ческой решетки и не контактирующими непосредственно с внешней средой. Пора рассмат- ривается как результат коагуляции большого числа вакан- сий. Для образования пористости важную роль играет еще одна из причин насыщения кристалла сверхравновесными вакансиями. Это — существование в теле искривленных (выпуклых или вогнутых) участков поверхнос- ти. На участке с выпуклой поверхностью сама величина по- верхности будет неравновесной, избыточной, а так как сис- тема стремится к ее уменьшению, то это будет достигаться при уменьшении прилежащего объема. При постоянстве общего объема вещества некоторое уменьшение объема наступит, ес- ли часть вакансий будет замещена атомами. Поэтому над вы- пуклой поверхностью концентрация вакансий будет меньше. Аналогичные рассуждения приводят к повышению концентрации вакансий под вогнутой поверхностью. Таким образом, на внешней поверхности поры дефицит ва- кансий, а на ее внутренней поверхности избыток. Количественная связь между величиной где - равновесная и - неравновесная концентрации вакансий, и кривизной поверхности K = l / r была установлена в виде . где — атомный объем, — поверхностное натяжение. При таком рассмотрении пора, т.е. замкнутая вогнутая поверхность, представляется как "капля пустоты", вокруг которой находится пар в состоянии равновесия с каплей. Пар состоит из атомов вещества капли, т.е. из вакансий. Выражение 2 /r в (выше) есть не что иное, как капил- лярное давление, и избыточная концентрация вакансий ока- зывается по модулю пропорциональной давлению, которое стремится выровнять кривизну поверхности. Таким образом, пора есть гигантская колония вакансий, которая есть результат их коагуляции. Вакансии к местам коагуляции перемещаются диффузионным путем. Поэтому сово- купность пор, образованных таких механизмом, получила на- звание диффузионной пористости.

Дата добавления: 2015-08-20