Самоорганізовані структури в твердому тілі

Дослідження твердого тіла займає особливе місце в фізиці, бо це наука про будову матерії живої і неживої природи, наука про матеріали оточуючого нас технічного світу. Увага до самоорганізованим станам в твердому тілі залучено не так давно, хоча деякі дослідження показують, що такі структури, можливо, представляють не тільки науковий, але і першорядний практичний інтерес, оскільки відкривають шляхи створення матеріалів з принципово новими властивостями. При сильному впливі на тверде тіло часто спостерігається складне переплетення процесів збудження і релаксації, крім того, іноді одна частина системи може піддаватися впливу з боку інший. Проте, мабуть, і тут діють закономірності, загальні для нерівноважної термодинаміки. Найбільш простими випадками, при якому формуються сильно нерівноважні стани твердого тіла, є процеси, що відбуваються при взаємодії випромінювання з речовиною. У деяких новітніх технологіях, у тому числі в атомній техніці або при радіаційному модиікуванні матеріалів (в І тут поверхню матеріалів обробляють пучками електронів або іонів), речовина знаходиться в радіаційному полі. Очевидно, що у всіх цих випадках ми маємо справу з відкритою системою, яка піддається притоку енергії ззовні. Крім того, часто виявляється, що мається і приплив речовини (наприклад, при опроміненні матеріалів в прискорювачі ми вводимо - імплантуючи - чужі іони). При розгляді подібних експериментів виникає одне важливе питання. Справа в тому, що слабо нерівноважна система (підкоряється лінійної нерівноважної термодинаміки) по своїй поведінці майже не відрізняється від замкнутої рівноважної - замкнута система еволюціонує до стану рівноваги, слабо нерівноважна система - до деякого стаціонарного стану. В яких випадках, за яких впливах опромінюється тверде тіло перейде від режиму слабо нерівноважного до режиму сильно нерівноважному, тобто в яких випадках ми можемо вважати обурення малим? Це питання на даний час не досліджений, і ми можемо судити про це лише за поведінкою системи. Що ж відбувається при взаємодії випромінювання з твердим тілом? Нагадаємо, що в більшості твердих тіл атоми (або іони) складають так звану кристалічну решітку - тривимірну періодичну структуру. Самі атоми розташовані в її вузлах, але досить щільно, так що по деяких напрямах вони стосуються, а міжатомні проміжки малі - не більше 0,4 розміру атома. Крім кристалів бувають також аморфні матеріали, в яких немає тривимірної періодичності, однак атоми упаковані так само щільно. При опроміненні швидка частинка (наприклад, іон) стикається з атомом речовини, вибиває його з вузла в міжвузловий проміжок. При цьому вузол решітки залишається порожнім, і утворюються відразу два дефекту: вакансія і міжвузловий атом (така пара дефектів називається парою Френкеля). Якщо частка важка, тобто не електрон, а істотно перевершують її по масі нейтрон або іон, і якщо енергія частки досить велика, то, вибивши з вузла один атом (і втративши при цьому частину енергії), вона може продовжувати співудару, поки її енергія не вичерпається. В свою чергу, вибитий з вузла атом теж може володіти енергією, достатньою для того, щоб виробляти дефекти. В результаті утворюється каскад, в якому може бути кількасот дефектів: вакансій і міжвузлових атомів. Тепер розглянемо, як змінюється стан випроміненого твердого тіла в часі. Джерело опромінення (це може бути атомний реактор, в якому утворюються нейтрони, або прискорювач, електронний або іонний) безперервно генерує дефекти в твердому тілі. Одночасно в речовині йдуть процеси, при яких ці дефекти знищуються. По-перше, це процес анігіляції, коли два різнойменних дефекту - вакансія і міжвузловий атом - зустрічаються і взаємно знищують один одного. По-друге, дефект може "загинути на стоках". так трапиться, якщо він підійде до зовнішньої поверхні або внутрішнім стокам - дефектам іншого типу (протяжним), опис яких виходить за межі

цієї статті. Концентрація дефектів в випроміненомутвердому тілі змінюватиметься згідно рівняння

де dC / dt - швидкість зміни концентрації дефектів, K - швидкість створення дефектів, що задається опромінювати пристроєм (реактором або прискорювачем). Другий член рівняння пов'язаний з анігіляцією дефектів, він залежить від вірогідності зустрічі вакансії (їх концентрація Cv) і міжвузловий атома (концентрація Ci), а в коефіцієнт входить коефіцієнт дифузії (швидкість переміщення дефектів), який сам залежить від концентрації дефектів. Третій член рівняння пов'язаний із загибеллю дефектів на стоках, тут N - число стоків, S - потужність стоку, здатність його поглинати дефекти. Отже, в обсязі випроміненої речовини в результаті зовнішнього впливу на систему неперервної створюються дефекти, однак внаслідок відбуваються в твердому тілі процесів вони безперервно зникають, в результаті балансу цих процесів підтримується деяка стаціонарна концентрація дефектів. легко бачити, що ми маємо справу з типовою слабо нерівноважної системою, яка поводиться подібно замкнутої рівноважної системі, однак еволюціонує чи не до стану рівноваги, а до стаціонарного стану з деякою концентрацією дефектів в об'ємі. На мікроскопічному рівні відбуваються парні зіткнення, не пов'язані один з одним, поки дефектів не занадто багато. Дефекти розподілені за обсягом приблизно рівномірно, якщо не враховувати області каскадів, які грають роль флуктуацій концентрації дефектів. В деякій області радіаційних параметрів ці флуктуації локальні і поки не заволоділи всією системою. Проте експериментально отримані стану, де картина радіаційних ушкоджень істотно відрізняється від описаної, - спостерігаються просторово-організовані структури, що, очевидно, відповідає режиму сильно нерівноважних станів.

Наведемо приклади подібних станів. Деякі металеві сплави опромінювались іонами аргону з енергією 20 кеВ (Ar +) до великих доз і при досить великої інтенсивності потоку. Виявилося, що структура опроміненої поверхні при цьому різко змінилася. На рис. 2, а показана мікроструктура сплаву Fe-Cr після опромінення зі збільшенням в 1000 раз. До опромінення поверхню сплаву була гладкою і однорідною, після опромінення видна упорядкована структура, що складається з двох систем смуг. Природа смуг, що нагадують ланцюга з пересічних ланок, поки не досліджена. Вельми цікаві результати отримані при вивченні того ж сплаву за допомогою електронного мікроскопа. На рис. 2, б показана структура зі збільшенням вже в 100 000 разів.

Рис. 2. Мікроструктура сплаву Fe-Cr після опромінення іонами Ar + c енергією 20 кеВ: а - повів. 450x; видна просторово-організована структура з характерним розміром 3мкм;

Поиск по сайту: