Противофазный домен

Противофазный домен (APD) — это тип плоского кристаллографического дефекта , в котором атомы внутри области кристалла расположены в порядке, противоположном атомам в идеальной системе решетки . На протяжении всего APD атомы занимают места, обычно занимаемые атомами разных видов. Например, в упорядоченном сплаве AB, если атом A занимает позицию, обычно занимаемую атомом B, тип кристаллографического точечного дефекта образуется , называемый антисайтовым дефектом. Если всю область кристалла сдвинуть так, что каждый атом в какой-либо области плоскости атомов окажется на своем антиузле, образуется противофазный домен. Другими словами, APD — это область, образованная антисайтовыми дефектами материнской решетки . По обе стороны от этой области решетка все еще совершенна, а границы области называются противофазными границами. Важно отметить, что кристаллы по обе стороны от антифазной границы связаны переносом, а не отражением ( кристаллический двойник ) или инверсией ( область инверсии ).

Механизм

Эти плоские дефекты подобны дефектам упаковки в том, что они часто возникают в результате скольжения атомных плоскостей и движения дислокаций, но степень трансляции варьируется. В дефектах упаковки область неупаковки ограничивается двумя частичными дислокациями и протяженная дислокация образуется . Для антифазных доменов, которые демонстрируют только химический беспорядок, область ограничена двумя сложными дефектами упаковки, которые демонстрируют как упаковку, так и химический беспорядок. Таким образом, для полного восстановления порядка кристалла необходимы 4 частичные дислокации. Их можно увидеть на рисунках 1 и 2 ниже. Ширина этих областей определяется балансом сил между отталкиванием однознаковых частичных дислокаций и поверхностной энергией областей. По мере увеличения поверхностной энергии границы противофазы степень разделения между частичными дислокациями будет уменьшаться для компенсации.

Ni3Al Lattice

Рисунок 1: На этом рисунке изображены два слоя атомов в кристалле Ni3Al, бинарном сплаве, который часто имеет противофазные границы. Для целей визуализации атомы нижнего слоя показаны более крупными, чем верхний слой, но на самом деле это не так. Трансляцию верхнего слоя можно разбить на два этапа, обозначенных маленькими стрелками 1 и 2. (б) Частичное скольжение верхнего слоя коротким вектором 1 приводит к образованию сложного дефекта упаковки. (в) Полное скольжение верхнего слоя с величиной трансляции, определяемой сдвигом единичной решетки (1+2), что приводит к образованию противофазной границы. Если верхняя плоскость проскальзывает на два полных шага решетки (1, 2, 3 и 4), образуется супердислокация, а это необходимо для восстановления идеальной кристаллической структуры. Ожидается, что эта супердислокация, состоящая из двух идеальных трансляций решетки, диссоциирует на четыре различных частичных дислокации, по две с каждой стороны.

Antiphase Boundary

Рисунок 2: Противофазная граница, созданная четырьмя частичными дислокациями (1,2,3,4), окруженными сложными дефектами упаковки. За пределами этих заштрихованных областей кристалл идеален.

Укрепление порядка

Укрепление порядка, вызванное взаимодействием дислокаций с упорядоченными выделениями, образующими антифазовые границы при движении дислокаций по кристаллу, может привести к значительному увеличению прочности и сопротивления ползучести. По этой причине упорядоченное упрочнение часто используют для устойчивых к высокотемпературной ползучести суперсплавов, используемых в лопатках турбин.

Противофазные домены несут с собой штраф за поверхностную энергию по сравнению с идеальной решеткой из-за их химического беспорядка, а наличие этих границ препятствует движению дислокаций по кристаллу, что приводит к увеличению прочности при сдвиговом напряжении. На рисунке 3 ниже показан процесс распространения краевой дислокации через упорядоченную частицу. По мере движения дислокации по частице плоскости решетки смещаются от равновесной конфигурации и образуются связи АА и ВВ по всей плоскости скольжения. Это образует более высокое энергетическое состояние, чем по сравнению с равновесной конфигурацией связи AB, и изменение энергии называется энергией противофазной границы (APBE). Это может увеличить степень упрочнения, возникающего в результате дисперсионного твердения , что затрудняет резку и вместо этого увеличивает вероятность прогиба Орована вокруг осадка.

Order Strengthening

Рисунок 3: Процесс движения краевой дислокации через упорядоченный осадок. На (а) показана идеально упорядоченная частица. В (б) дислокации прошли через часть частицы. В (c) дислокация выходит из осадка, что приводит к увеличению поверхностной энергии за счет увеличения площади поверхности и конфигурации связи с более высокой энергией.

Укрепление порядка часто характеризуется отношением энергии притяжения противофазной границы (APBE) к энергии отталкивания дислокации (Gb): $\epsilon _{ord}={\frac {APBE}{Gb}}$. Степень упрочнения порядка зависит как от этого соотношения, так и от того, находится ли сплав на ранней или поздней стадии выделения. Когда $\epsilon _{ord}$ низкая, задняя дислокация движется далеко позади ведущих дислокаций, что приводит к раздельному вырезанию выделений, как видно на рисунке 4а. Альтернативно, когда $\epsilon _{ord}$высока, задняя дислокация следует сразу за ведущей дислокацией, что приводит к обычному разрезанию, как показано на рисунке 4b. На ранних стадиях осадков увеличение напряжения сдвига может быть выражено как:

$\tau _{ord}\approx 0.7G(\epsilon _{ord})^{3/2}({\frac {fr}{b}})^{1/2}$ для низких $\epsilon _{ord}$ или

$\tau _{ord}\approx 0.7G[(\epsilon _{ord})^{3/2}({\frac {fr}{b}})^{1/2}-0.7\epsilon _{ord}f]$для высокого $\epsilon _{ord}$где G — модуль сдвига, f — объемная доля выделений, r — радиус выделения, b — вектор Бюргерса дислокации.

На более поздних стадиях осаждения аналогичные выражения имеют вид:

$\tau _{ord}\approx 0.44G(\epsilon _{ord})f^{1/2}$ для низких $\epsilon _{ord}$или

$\tau _{ord}\approx 0.44G(\epsilon _{ord})[f^{1/2}-0.92f]$для высокого $\epsilon _{ord}$.

Shearing across ordered precipitates

Рисунок 4: Движение дислокаций вокруг выделений.

Примеры из литературы

Даже в опубликованной литературе часто встречается путаница между инверсионными и противофазными доменами, особенно в случае GaAs, выращенного на кремнии. (Аналогичные дефекты образуются в GaN на кремнии, где их правильно идентифицируют как инверсионные домены). Пример проиллюстрирован на схеме ниже.

Рис. 4. Выделенная область, показывающая инверсионную область, ошибочно называемую противофазной областью, в GaAs на Si.

Заштрихованная область B представляет собой пример APD. На рисунке GaAs выращен на разориентированной поверхности Si (подробности здесь не обсуждаются). Разориентация приводит к тому , что атомы Ga и As в области B оказываются в противоположных местах по сравнению с кристаллической матрицей. Наличие APD приводит к тому, что сайты Ga 1, 1', 2, 2', 3, 3' связываются с атомами Ga в APD с образованием APB.

В материалах со смешанной степенью окисления, таких как магнетит, антифазные домены и противофазные доменные границы могут возникать в результате упорядочения зарядов, даже если изменений в расположении атомов нет. Например, реконструированная поверхность магнетита (100) содержит чередующиеся Fe ^II пары и Fe ^III пары в первом подповерхностном слое. Противофазная доменная граница может образоваться, если два приповерхностных Fe ^II пары встречаются, когда две террасы срастаются.