CC BY
97
УДК 548
СПОСОБЫ УПРОЧНЕНИЯ МОНОКРИСТАЛЛОВ Ю^О^М3* Д.Е. Живулин1, А.Н. Брызгалов2, П.В. Волков3, В.М. Акимова4, Э.Н. Рыбина5
Рассмотрены два метода упрочнения кристаллов калий-гадолиниевого вольфрамата с примесью неодима KGd(WO4)2:Nd3+. Один метод проявляется при малой концентрации примеси и основан на дислокационном механизме, другой - связан с образованием пластинчатой субструктуры и проявляется в кристаллах с большим содержанием примеси. Исследовано изменение твердости кристаллов в зависимости от концентрации примеси.
Ключевые слова: кристалл КГВ (калий-гадолиниевый вольфрамат), упрочнение, дефекты, примесь, субструктура, твердость.
Введение
На сегодняшний день важнейшей задачей квантовой электроники является расширение спектрального диапазона частот источников лазерного излучения. Кристаллы калий-гадолиниевого вольфрамата (КГВ) с примесью редкоземельных элементов широко используются в лазерной технике.
На исследуемых нами кристаллах, легированных примесью Кё3+, получают эффекты вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР) и спонтанного ком-
Рис. 1. Структура кристалла KGd(WO4)2 в послойном (1, 2, 3) представлении [4]
бинационного рассеяния (СКР), в результате которого возникает когерентное излучение с частотой, сдвинутой относительно частоты основного излучения на величину, равную или кратную частоте молекулярного колебания вещества.
Указанные свойства зависят не только от совершенства кристаллов и распределения активной примеси, рассмотренных в работе [1], но и от механической прочности.
Структура вольфрамата на молекулярном уровне составлена ионами кислорода с гексагональной упаковкой в плоскости (010), в октаэдрических пустотах которых рядами располагаются через свободный ряд в направлении [001] ионы гадолиния, калия и вольфрама (рис. 1). Затем следует второй слой, в котором заполненные ряды октаэдров смещены на один ряд, а в третьем слое наблюдается структура первого слоя. Образуется трехслойный пакет, ограниченный плоскостями (100), (010) и (001), в состав которого входят три формульных единицы ионов: К-4, Оё-4 , W-8, 0-32.
Во время роста формируется кристалл с плоскостями (001), (100) и (010). Плоскость (010) является плоскостью спайности, а нарастание по ней происходит с максимальной скоростью.
Под действием упругих сил может происходить смещение октаэдров вдоль рядов по плоскости (100) в направлении [001]. В результате этого появляется лишняя полуплоскость (001) и образуется краевая дислокация с вектором Бюргерса в направлении [001], линией дислокации в направлении [010] и плоскостью скольжения (100).
1 Живулин Дмитрий Евгеньевич - аспирант, кафедра общей и теоретической физики, Челябинский государственный педагогический университет.
E-mail: zhivulin-74@mail.ru
2 Брызгалов Александр Николаевич - доктор физико-математических наук, профессор, кафедра общей и теоретической физики, Челябинский государственный педагогический университет.
E-mail: brizgalovan@cspu.ru
3 Волков Петр Вячеславович - аспирант, кафедра общей и теоретической физики, Челябинский государственный педагогический университет.
E-mail: peter-007@mail.ru
4 Акимова Вера Михайловна - кандидат физико-математических наук, сотрудник ООО «УСЭК».
E-mail: nehestno@mail.ru
5 Рыбина Эльвира Нафизовна - аспирант, кафедра общей и теоретической физики, Челябинский государственный педагогический университет.
Физика
Исследование кристаллов
Для исследования использовались плоскопараллельные пластины КГВ размером 15x5x2 мм среза (010), выращенных раствор-расплавным методом, с различной концентрацией (1, 2, 3, 5 %) неодима в расплаве. Образцы подвергались гидротермальному травлению. В качестве травителя был использован 5 %-ный раствор КОН при давлении р = 20 атм и температуре t = 200 °С.
Поверхность образцов исследовалась при помощи интерференционного микроскопа МИИ-4 с увеличением х375.
Упрочнение кристаллов без примеси неодима основано на дислокационном механизме, где распространение слоев пластической деформации происходит по плоскости (010) в направлении [100]. Из (рис. 2) следует, что пластическая деформация зависит от величины приложенного напряжения.
На первом участке происходит образование и смещение слоя деформации, на втором линейном участке представлено распространение деформационного слоя с постоянной скоростью, на третьем - проявляется процесс торможения слоев деформации.
В основу механизма упрочнения положена теория Оро-вана [2, 3], согласно которой фронт слоя деформации образован винтовыми дислокациями с вектором Бюргерса и линией дислокации одного направления (рис. 3).
Скорость перемещения относительной деформации можно оценить исходя из формулы е = Ъру , где е - скорость относительной деформации, р и п - плотность и скорость перемещения дислокации, Ъ - вектор Бюргерса.
Рис. 2. Типичная кривая упрочнения кристаллов (схема). т - напряжение сдвига, е - сдвиговая деформация [3]
Рис. 3. Слои деформации плотностью (5-8)-102 см-1, образованные совокупностью винтовых дислокаций. х375
Рис. 4. Взаимодействие слоев деформации с отдельными краевыми дислокациями и стенкой дислокации. х375
Рис. 5. Торможение слоев деформации на участках нарушенной поверхности. х375
Механические параметры кристаллов KGd(WO4)2:Nd
Направление [100] [010] [001]
Параметры элементарной ячейки, А 8,098 10,417 7,583
Модуль Юнга в для пластинчатой структуры, ГПа 115,8 152,5 92,4
Напряжение, необходимое для образования слоев деформации, можно оценить по форму-
ле (1) т@ 0,3 Н/м2:
т = -
вЪ
2рг
(1)
Торможение слоев деформации происходит за счет взаимодействия с одиночными дефектами, такими как краевые дислокации и макроскопические включения, которые играют роль «стопоров». Их упругое напряжение рассчитывается, исходя из формулы (2) т @ 0,85 Н/м2:
ОЪ ~
г ——, (2)
В
где О - модуль Юнга, В - расстояние до дефекта или между смежными дефектами (точечными). Согласно Оровану [3], при достижении критического напряжения дислокационный сегмент расширяется и проходит мимо «стопора» (рис. 4).
Сила взаимодействия ¥ — ЪгВ . Радиус прогиба при прохождении между дефектами:
*-£• (3)
Две краевые дислокации с вектором Бюргерса одного знака при больших расстояниях между ними г взаимно отталкиваются. Однако, если г < -\/2И, они притягиваются, и положение их ста-
бильно, когда они находятся в плоскости, перпендикулярной плоскости скольжения, где И - расстояние между плоскостями скольжения. Если знаки дислокаций разные, то они притягиваются при г >42и и отталкиваются при г <42и . Пару дислокаций противоположного знака принято называть дислокационным диполем, и для его разрушения требуется приложить дополнительное напряжение:
ОЪ
г —----------. (4)
8р(1 - v)И
Первый механизм упрочнения кристалла происходит за счет взаимодействия винтовой дис-
оъ „ ОЪЫ
локации напряжением (1) с краевой г —---------- или с группой дислокаций г —-------------. Дли-
2р(1 - V) 8р(1 - v)И
на пути перемещения винтовой дислокации Л — \/2-И. При взаимодействии с дефектами слои
Ър
деформации резко меняют направление или тормозятся (рис. 5). Также среди отдельных дефектов встречается «лес» дислокаций - группы, у которых линии дислокаций пересекают плоскость (010) под разными углами.
При включении ионов примеси неодима увеличивается плотность краевых дислокаций и макроскопических включений, при этом границы деформации преобразуются в границы слоев роста и носят прямолинейный характер параллельно плоскости (100). На участках выхода краевых дислокаций и макроскопических примесей наблюдается смещение слоев (рис. 6).
Рис. 6. Взаимодействие макровключений Рис‘ 7 Граница блока образован- ная стенками краевых дислока-
и краевых дислокаций со слоями роста . г
на поверхности плоскости (010) ций х375’ угол раз°риентировки
г ' составляет 3-10 рад
На рис. 7 проявляется блочная структура с границами, образованными стенками краевых дислокаций. Угол разориентировки для прямолинейных простых границ можно оценить по формуле Q — Ъ/й , где й - расстояние между дислокациями, Ъ - вектор Бюргерса.
Под слоями роста обнаруживается пластинчатая субструктура (рис. 8).
Пластинчатость сохраняется и на дефектных участках повреждения поверхности механическим способом. Ямки травления на участках макровключений имеют плоское дно, а на дислока-
Физика
циях - острое, но контуры ямок сохраняют геометрическую форму согласно симметрии исследуемой поверхности (010), форма пластинок и дефектных ямок травления имеют симметрию грани (010) и молекулярного трехслойного пакета.
Вторым способом упрочнения кристаллов является пластинчатая субструктура. Она является следствием распределения тепловой энергии в открытой термодинамической системе. При выращивании кристаллов излучение энергии при охлаждении происходит с поверхности, преимущественно рассеиваясь в окружающую среду и на дефектах кристаллов. Благодаря низкой теплопроводности кристалла часть энергии сохраняется внутри, распределяется по ячейкам, в данном случае пластинчатой формы в соответствии с симметрией решетки кристалла.
Дислокационный стопорный механизм и пластинчатость являются следствием процесса самоорганизации кристаллов.
На (рис. 9) представлена зависимость твердости кристалла от концентрации неодима. Испытания на твердость проводились на микротвердомере ПМТ-3 по методу Кнуппа. Из графика видно, что с увеличением концентрации неодима твердость кристаллов возрастает
Обсуждение результатов
Представлено два механизма упрочнения кристаллов КГВ с примесью неодима.
Первый механизм связан с взаимодействием слоев деформации, образованных винтовыми дислокациями с краевыми дислокациями и макроскопическими включениями, которые являются «стопорами» для деформационных слоев.
Образование пластинчатой субструктуры является еще одним механизмом упрочнения кристаллов.
Пластинчатая субстуктура возникает за счет перераспределения тепловой энергии в открытой термодинамической системе. В результате низкой теплопроводности часть тепловой энергии рассеивается на дефектах и в окружающую среду, а другая - сохраняется и распределяется внутри кристалла, образуя пластинки. Данный механизм согласуется с теорией самоорганизации И.Р. Пригожина.
Литература
1. Акимова, В.М. Определение оптимальной концентрации активной примеси неодима кристаллов калий-гадолиниевого вольфрамата / В.М. Акимова, А.Н. Брызгалов // Вестник ЮУрГУ. Серия «Математика, физика, химия». - 2008. - Вып. 11. - № 22(122). - С. 19-22.
2. Orowan, E. Problems of plastic gliding / E. Orowan // Proc. Phis. Soc. - 1940. - Vol. 52, № 1. -P. 8-22.
3. Смирнов, Б.И. Дислокационная структура и упрочнение кристаллов / Б.И. Смирнов. - Л.: Наука, 1981. - 236 с.
4. Трунов, В.Н. Кристаллохимия и свойства двойных молибдатов и вольфраматов /
В.Н. Трунов, В.А. Ефремов, Ю.А. Великодный. - Л.: Наука, 1986. - 172 с.
450
430
410
390
370
350
>3 5 330
с ч 310
е.
4І 290
-
270
250
1 2 3 4 5
Концентрация С, %
Рис. 9. Зависимость упрочнения монокристаллов КГВ в зависимости от процентного содержания неодима
Рис. 8. а) бездефектная поверхность х375; б) участки, поврежденные абразивным материалом в процессе обработки х200
Способы упрочнения монокристаллов
KGd(WO4h:Nd3+
5. Басиев, Т.Т. Генерационные свойства ВКР-активных кристаллов молибдатов и вольфрама-тов, активированных ионами при селективной оптической накачке / Т.Т. Басиев // Квантовая электроника. - 2006. - Т. 36. - Вып. 8. - С. 720-726.
6. Сторощук, О.Б. Высокоэффективный неохлаждаемый импульсно-периодический лазер на активном элементе из кристалла KGd(WO4)2:Nd3+ с повышенной частотой следования импульсов излучения / О.Б. Сторощук // Электронный журнал «Исследовано в России». - 2002. - № 62. -
С.671-681.
Поступила в редакцию 24 апреля 2012 г.
METHODS OF MONOCRYSTALS KGD(WO4)2: ND3+ REINFORCEMENT
D.E. Zhivulin1 A.N. Bryzgalov2, P.V. Volkov3, V.M. Akimova4, E.N. Rybina5
Two methods of crystals of potassium-gadolinium tungstate doped with neodymium KGd (WO4)2: Nd3+ reinforcement are considered. One method is shown at a low concentration of impurities and is based on the dislocation mechanism, another one is associated with the formation of lamellar substructure and is shown in crystals with high concentration of impurities. The change in hardness of crystals, depending on the concentration of impurities, is investigated.
Keywords: PGT crystal (Potassium-Gadolinium Tungstate), reinforcement, defects, impurity, substructure, hardness.
References
1. Akimova V.M., Bryzgalov A.N. Opredelenie optimal'noi kontsentratsii aktivnoi primesi neodima kristallov kali-gadolinievogo vol'framata (Optimal percentage evaluation of the active impurity of the neodymium crystals of the kalium gadolinium wolframate). Vestnik YuUrGU. Seriia «Matematika, fizika, khimiia». 2008. Issue 11. no. 22(122). pp. 19-22. (in Russ.).
2. Orowan E. Problems of plastic gliding. Proc. Phis. Soc. 1940. Vol. 52, no 1. pp. 8-22.
3. Smirnov B.I. Dislokatsionnaia struktura i uprochnenie kristallov (Dislocation pattern and crystals reinforcement). Leningrad: Nauka, 1981. 236 p. (in Russ.).
4. Trunov V.N., Efremov V.A., Velikodnyi Yu.A. Kristallokhimiia i svoistva dvoinykh molibdatov i vol'framatov (Crystal chemistry and properties of double molybdates and wolframates). Leningrad: Nauka, 1986. 172 p. (in Russ.).
5. Basiev T.T. Kvantovaia elektronika. 2006. Vol. 36. Issue 8. pp. 720-726. (in Russ.).
6. Storoshchuk O.B. Issledovano v Rossii. 2002. no. 62. pp. 671-681. (in Russ.).
1 Zhivulin Dmitry Evgenievich is Post-Graduate Student, General and Theoretical Physics Department, Chelyabinsk State Pedagogical University.
E-mail: zhivulin-74@mail.ru
2 Bryzgalov Aleksandr Nikolaevich is Dr.Sc. (Physics and Mathematics), Professor, General and Theoretical Physics Department, Chelyabinsk State Pedagogical University.
E-mail: brizgalovan@cspu.ru
3 Volkov Petr Vyacheslavovich is Post-Graduate Student, General and Theoretical Physics Department, Chelyabinsk State Pedagogical University.
E-mail: peter-007@mail.ru
4 Akimova Vera Mikhailovna is Cand. Sc. (Physics and Mathematics), associate «USEC».
E-mail: nehestno@mail.ru
5 Rybina Elvira Nafizovna is Post-Graduate Student, General and Theoretical Physics Department, Chelyabinsk State Pedagogical University.
