Особенности двойникования монокристаллов тугоплавких оксидов Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 539.3

ОСОБЕННОСТИ ДВОЙНИКОВАНИЯ МОНОКРИСТАЛЛОВ ТУГОПЛАВКИХ ОКСИДОВ

© М.Ш. Акчурин, М.В. Ковальчук, И.И. Купенко

Институт кристаллографии им. А.В. Шубникова РАН, г. Москва, Россия, e-mail: akchurin@ns.crys.ras.ru

Ключевые слова: структура; дефекты; двойникование; моделирование.

На примере монокристаллов иттрий-алюминиевого граната методами растровой электронной микроскопии, рентгеновской топографии и моделирования изучена роль двойникования в релаксации напряжений в процессе роста монокристаллов и формировании деформационной структуры при действии сосредоточенной нагрузки. Показано, что процессы двойникования являются основным механизмом релаксации напряжений при образовании и пластической деформации тугоплавких кубических оксидов.

Механизмы пластической деформации тугоплавких кристаллов, когда дислокационная пластичность затруднена, до конца не выяснены. Ранее [1-3] при изучении процессов образования лазерных керамик на основе тугоплавких оксидов, в частности иттрий-алюминиевого граната (У3Л15012), было предположено, что основным механизмом пластической деформации, осуществляющим развороты кристаллической структуры и сопряжения зёрен, является механическое двойникование преимущественно по плоскости (111) в направлении [112]. Естественно полагать, что этот механизм пластической деформации может проявиться при выращивании и деформировании монокристаллов.

Ранее в работе [4] выявлено несоответствие между определением симметрии кристаллов иттрий-алюминиевого граната рентгеновскими и морфологическими методами. Кажущееся отсутствие центра инверсии в ОЦК структуре УзЛ15012 выявлялось морфологическими методами. Плоскопараллельная пластина с одинаковым образом механически обработанными поверхностями погружалась в кипящую ортофосфорную кислоту. В результате химической полировки одна сторона становилась гладкой, а другая рельефной, как бы гофрированной. Проявление этой анизотропии практически не зависит от толщины пластины, и не важно из какой части кристалла и в каком направлении она вырезана. Расположение гладкой и гофрированной поверхностей также не зависит от направления роста и с неким шагом меняются местами. Аналогичная ситуация наблюдается также на сколах и поверхностях роста, т. е. наблюдаемая анизотропия не является следствием механической обработки поверхностных слоёв, а присуща самому кристаллу. В [5] сделана попытка объяснения «отсутствия» центра инверсии в ОЦК структуре монокристаллов иттрий-алюминиевого граната с позиций двойникования. Однако прямых экспериментальных доказательств наличия двойников в исследуемых кристаллах в той работе не приведено.

Двойникование - соединение двух кристаллических индивидов элементами симметрии, которых нет в данной структуре. Вообще говоря, двойникование может

происходить по любой плоскости и/или вокруг оси, которые не являются плоскостью или осью симметрии данной структуры, но с разной вероятностью. Согласно [6], двойникование может происходить без изменения формы и без изменения упругих постоянных. К ним относятся все двойники инверсии и некоторые типы двойников вращения и отражения. Эти двойники в кристаллах вообще легко не заметить. Для их выявления необходимо тщательно обследовать структуру и свойства кристаллов, т. е. определить структурные возможности образования двойников такого типа и каким образом они могут проявиться в свойствах образцов.

Проведённое моделирование показало возможность образования двойника инверсии путём поворота структуры на 60° вокруг оси 3-го порядка по плоскости, проходящей через центр инверсии [5]. Следует заметить, что все кристаллы, обладающие осью третьего порядка, при повороте структуры вокруг неё на 60°, вообще говоря, могут образовывать двойники инверсии, т. к. происходит как бы разворот структуры на 180°, т. е. скалярные величины остаются без изменения, а векторные меняют направление на противоположенное.

С одной стороны, двойникование приводит как бы к повышению степени симметрии (появление нового элемента симметрии), а с другой - к возникновению дефекта (двойниковая граница). Такого типа дефекты должны давать контраст на рентгеновской топограмме в соответствующей геометрии. На рис. 1 представлена рентгеновская топограмма, полученная в геометрии Лауэ от монокристалла УзЛ15012.

Толщина пластины ~ 50мкм. Плоскость (110). Отражение 440. Излучение МоКа. Контраст в изображении обусловлен двойниковыми прослойками, лежащими в плоскостях (111) и (112). Следует заметить, что угол между двойниковыми прослойками (светлые линии на рисунке) строго соответствует углу между лучами, распространяющимися от устья трещины, полученными в режиме РЭМ-КЛ при деформировании кристаллов сосредоточенной нагрузкой [7].

500 ¿ли

Рис. 1. Рентгеновская топограмма, полученная в геометрии Лауэ от монокристалла У3Л15012

Смена расположения рельефных и гладких сторон по длине образца полностью соответствует предложенной модели образования и перемещения двойниковых границ в ГЦК структурах [8]. Согласно этой модели, построенной на базе плотнейших шаровых упаковок, чередование слоёв АВС будет меняться на АСВ и наоборот. Поскольку ОЦК структура алюмо-иттриевого граната стремится к сохранению центра инверсии и электронейтральности, то противоположенные стороны любым образом вырезанного образца могут различаться морфологически, т. к. с одной стороны, будет структура типа .../АВС/АВС/АВС/..., а с другой -.../АСВ/АСВ/АСВ/... .

Следовательно, «понижение» группы симметрии, на которое указывают морфологические методы, связано с тем обстоятельством, что центр симметрии меняется на антицентр. Таким образом, группа антисимметрии отражает более глубокие свойства объекта, чем его группа симметрии.

ЛИТЕРАТУРА

1. Каминский А.А., Акчурин М.Ш., Гайнутдинов Р.В. и др. // Кристаллография. 2005. Т. 50. № 5. С. 935.

2. Акчурин М.Ш., Гайнутдинов Р.В., Закалюкин Р.М., Каминский А.А. // Докл. РАН. 2007. Т. 415. № 3. С. 1.

3. Акчурин М.Ш., Гайнутдинов Р.В., Закалюкин Р.М., Каминский А.А. // Поверхность. Рентген., синхротрон. и нейтр. исслед. 2008. № 9. С. 42.

4. Акчурин М.Ш., Галиулин Р.В. // Кристаллография. 1998. Т. 43. № 3. С. 493.

5. Акчурин М.Ш., Закалюкин Р.М., Каминский А.А., Купенко И.И. // ДАН. 2009. Т. 427. № 6. С. 765.

6. Классен-Неклюдова М.В. Механическое двойникование кристаллов. М.: АН СССР, 1960. 261 с.

7. Akchurin M.Sh., Regel V.R. // Chemistry Reviews. 1998. V. 23. P. 59-88.

8. Акчурин М.Ш., Закалюкин P.М. // Кристаллография. 2006. № 6. С. 1160.

Поступила в редакцию 15 апреля 2010 г.

Akchurin M.S., Kovalchuk M.V., Kupenko I.I. Features of twinning of high-melting oxide monocrystals.

The role of twinning in tension relaxation during crystal growth and deformation structure formation under a point load with an yttrium aluminum garnet singlecrystal as an example by scanning electron microscopy, X-ray topography and modeling were examined. It was shown that twining processes are the main mechanism in the course formation and plastic deformation of cubic high-melting oxides.

Key words: structure; defects; twinning; modeling.