Chyba stohování - Stacking fault - Wikipedia

Porovnání mřížek fcc a hcp, vysvětlující vznik stohovacích poruch v těsně zabalených krystalech.

v krystalografie, a chyba stohování je typ přeběhnout který charakterizuje disordering krystalografických rovin. Považuje se tedy za plošnou vadu.[1][2]

Nejběžnější příklad stohování poruch se nachází v těsně zabalených krystalových strukturách. Tvář centrovaný kubický (FCC) struktury se liší od šestihranný těsně zabalený (hcp) struktury pouze v pořadí skládání: obě struktury mají uzavřené atomové roviny se šestinásobnou symetrií - atomy tvoří rovnostranné trojúhelníky. Když skládáte jednu z těchto vrstev na druhou, atomy nejsou přímo na sobě. První dvě vrstvy jsou identické pro hcp a fcc a jsou označeny AB. Pokud je třetí vrstva umístěna tak, aby její atomy byly přímo nad atomy první vrstvy, bude skládání ABA - to je struktura hcp a pokračuje ABABABAB. Pro třetí vrstvu však existuje další možné umístění, takže její atomy nejsou nad první vrstvou. Místo toho jsou to atomy ve čtvrté vrstvě, které jsou přímo nad první vrstvou. Tím se vytvoří stohování ABCABCABC, které je ve skutečnosti ve směru [111] kubické krystalové struktury. V tomto kontextu je chyba stohování lokální odchylka od jedné z přeplněných sekvencí stohování k druhé. Obvykle se pouze jedno-, dvou- nebo třívrstvé přerušení v pořadí skládání označují jako chyby skládání. Příkladem struktury fcc je sekvence ABCABABCAB.

Stohování poruch nese danou formaci entalpie na jednotku plochy; tomu se říká energie stohovací poruchy.


Tvorba stohovacích poruch v krystalu FCC

Chyby stohování jsou dvourozměrné plošné vady, které se mohou vyskytnout v krystalických materiálech. Mohou být vytvořeny během růstu krystalů, během plastické deformace, protože částečné dislokace se pohybují v důsledku disociace dokonalé dislokace nebo kondenzací bodových defektů během vysokorychlostní plastické deformace.[3] Začátek a konec poruchy stohování jsou označeny částečnými dislokacemi řádků, jako je částečná dislokace okraje. Dislokace řádků mají tendenci nastat na nejbližší balené rovině v nejbližším zabaleném směru. U krystalu FCC je nejbližší balená rovina rovina (111), která se stává rovinou sestupu, a nejbližší balený směr je směr [110]. Dokonalá dislokace řádků v FCC má proto hamburgerový vektor ½ <110>, což je translační vektor.[4]

Rozdělení na dvě částečné dislokace je výhodné, protože energie vady čáry je úměrná druhé mocnině vektorové velikosti hamburgeru. Například dislokace okraje se může rozdělit na dvě Shockleyovy částečné dislokace s hamburgerovým vektorem 1/6 <112>.[4] Tento směr již není v nejbližším zabaleném směru, a protože vektory obou hamburgerů jsou vůči sobě navzájem v úhlu 60 stupňů, aby se dosáhlo dokonalé dislokace, obě částečné dislokace se navzájem odpuzují. Toto odpuzování je důsledkem stresových polí kolem každé částečné dislokace ovlivňující druhou. Síla odpuzování závisí na faktorech, jako je modul smyku, hamburgerův vektor, Poissonův poměr a vzdálenost mezi dislokacemi.[4]

Vzhledem k tomu, že částečné dislokace odpuzují, je mezi nimi vytvořena chyba stohování. Vzhledem k tomu, že chyba skládání je vadou, má vyšší energii než energie dokonalého krystalu, takže působí tak, že znovu přitahuje částečné dislokace. Když tato atraktivní síla vyváží odpudivou sílu popsanou výše, jsou defekty v rovnovážném stavu.[4]

Poruchy stohování mohou být také způsobeny Frankovými částečnými dislokacemi s hamburgerovým vektorem 1/3 <111>.[4] Existují dva typy chyb stohování způsobených Frankovými částečnými dislokacemi: vnitřní a vnější. Vnitřní chyba stohování se vytváří podle aglomerace volných míst a chybí rovina se sekvencí ABCA_BA_BCA, kde BA je chyba stohování.[5] Vnější chyba stohování je tvořena intersticiální aglomerací, kde existuje další rovina se sekvencí ABCA_BAC_ABCA.[5]

Vizualizace chyb stohování pomocí elektronové mikroskopie

Stohování poruch lze vizualizovat pomocí elektronové mikroskopie.[6] Jednou běžně používanou technikou je transmisní elektronová mikroskopie (TEM). Druhým je kontrastní zobrazování směrující elektrony (ECCI) v rastrovacím elektronovém mikroskopu (SEM).

V SEM lze identifikovat defekty blízké povrchu, protože zpětně rozptýlený výtěžek elektronů se liší v oblastech defektů, kde je napjatý krystal, což vede k různým kontrastům v obraze. Aby bylo možné identifikovat poruchu stohování, je důležité rozpoznat přesnou Braggovu podmínku pro určité mřížkové roviny v matici tak, aby oblasti bez defektů detekovaly málo zpětně rozptýlených elektronů a vypadaly tak tmavé. Mezitím regiony se stohovací chybou neuspokojí Braggovu podmínku, a tak poskytnou velké množství zpětně rozptýlených elektronů, a tak se v obraze objeví jasně. Invertováním kontrastu získáte obrázky, kde se chyba stohování jeví uprostřed tmavé matice tmavá.[7]

V TEM je zobrazování jasného pole jednou technikou používanou k identifikaci umístění chyb stohování. Typický obraz chyby stohování je tmavý s jasnými třásněmi blízko hranice zrn pod nízkým úhlem, obklopen dislokacemi na konci chyby stohování. Třásně indikují, že chyba stohování je ve sklonu vzhledem k rovině pohledu.[3]

Stohování poruch v polovodičích

Mnoho složené polovodiče, např. ty, které kombinují prvky ze skupin III a V nebo ze skupin II a VI periodické tabulky, krystalizují v FCC zinkblende nebo hcp wurtzite krystalové struktury. V polovodičovém krystalu budou fáze fcc a hcp daného materiálu obvykle odlišné mezera v pásmu energie. V důsledku toho, když má krystalová fáze poruchy stohování menší mezeru v pásmu než okolní fáze,[8] tvoří a kvantová studna, což při fotoluminiscenčních experimentech vede k emisi světla při nižších energiích (delší vlnové délky) než u objemového krystalu.[9] V opačném případě (větší mezera pásma ve stohovací poruše) představuje energetickou bariéru ve struktuře pásma krystalu, která může ovlivnit přenos proudu v polovodičových součástkách.

Reference

  1. ^ Dobře, Morris E. (1921). "Úvod do chemických a strukturních vad v krystalických pevných látkách", v Pojednání o chemii pevných látek, svazek 1Springer.
  2. ^ Hirth, J. P. a Lothe, J. (1992). Teorie dislokací (2. vyd.). Krieger Pub Co. ISBN  0-89464-617-6.
  3. ^ A b Li, B .; Yan, P. F .; Sui, M. L .; Ma, E. Transmisní elektronová mikroskopie Studie stohovacích poruch a jejich interakce s pyramidovými dislokacemi v deformovaném Mg. Acta Materialia 2010, 58 (1), 173–179. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2009.08.066.
  4. ^ A b C d E Hull, D .; Bacon, D. Kapitola 5. Dislokace v kubických kovech zaměřených na tvář. v Úvod do dislokací; 2011; str. 85–107.
  5. ^ A b 5.4.1 Částečné dislokace a chyby stohování http://dtrinkle.matse.illinois.edu/MatSE584/kap_5/backbone/r5_4_1.html.
  6. ^ Spence, J. C. H .; et al. (2006). "Zobrazovací dislokační jádra - cesta vpřed". Philos. Mag. 86 (29–31): 4781. Bibcode:2006PMag ... 86.4781S. doi:10.1080/14786430600776322. S2CID  135976739.
  7. ^ Weidner, A .; Glage, A .; Sperling, L .; Biermann, H. Pozorování poruch stohování ve skenovacím elektronovém mikroskopu od Electron Channeling Contrast Imaging. IJMR 2011, 102 (1), 3–5. https://doi.org/10.3139/146.110448.
  8. ^ Antonelli, A .; Justo, J. F .; Fazzio, A. (1999). „Interakce bodových vad s rozšířenými vadami polovodičů“. Phys. Rev. B. 60 (7): 4711–4714. Bibcode:1999PhRvB..60.4711A. doi:10.1103 / PhysRevB.60.4711.
  9. ^ Lähnemann, J .; Jahn, U .; Brandt, O .; Flissikowski, T .; Dogan, P .; Grahn, H.T. (2014). Msgstr "Luminiscence spojená s chybami stohování v GaN". J. Phys. D: Appl. Phys. 47 (42): 423001. arXiv:1405.1261. Bibcode:2014JPhD ... 47P3001L. doi:10.1088/0022-3727/47/42/423001. S2CID  118671207.