CC BY
53
УДК 539.3
ВЛИЯНИЕ ДЕФЕКТОВ СТРУКТУРЫ НА МЕХАНИЗМЫ РОСТА НИТЕВИДНЫХ КРИСТАЛЛОВ И МИКРОИЗДЕЛИЙ ИЗ НИХ
© А. А. Викарчук, Н.Н. Грызунова, М.В. Дорогов
Тольяттинский государственный университет, г. Тольятти, Россия, e-mail: fti@tltsu.ru
Ключевые слова: нитевидные пентагональные кристаллы; микротрубки; дисклинации.
В данной работе исследуется влияние дефектов структуры на механизмы формирования и дальнейшего роста пен-тагональных стержней и микротрубок.
Нитевидные пентагональные кристаллы (НПК), полученные методом электроосаждения металла [1], имеют необычную структуру (малые размеры, ните-видность, пентагональную огранку) и уникальные физико-механические свойства. В нитевидных пентаго-нальных кристаллах в виде стержней можно сформировать полость, а микротрубку можно преобразовать в полый микропровод. Но для создания технологии массового получения таких металлических НПК и выращивания из них микроизделий необходимо детально проанализировать влияние дефектов структуры на механизмы дальнейшего роста НПК.
Из рис. 1 видно, что в процессе электроосаждения металла на подложке, кроме стержней и трубок, образуются и растут кристаллы другой морфологии. Однако для стержней и трубок характерна нитевидность и преимущественный рост в определенном кристаллографическом направлении. Причем при малых размерах (менее 2-3 мкм), стержни огранки не имеют (рис. 1, а), когда их поперечный размер достигает более 3 мкм, преимущественно наблюдаются микротрубки (рис. 1, б).
На основании экспериментально наблюдаемых мест зарождения НПК и исследований особенностей строения кристаллов в работе [2] было показано, что на на-
чальном этапе электрокристаллизации при низких перенапряжениях на подложке образуется некристаллический декаэдрический кластер. При дальнейшем росте кластера из него формируется удлиненный островок роста, сохраняющий усеченную декаэдрическую структуру [2]. Однако некристаллические декаэдрические и усеченные декаэдрические структуры с увеличением размера становятся напряженными, их напряженное состояние легко описать, если представить, что в них имеются дисклинации. Именно наличие дисклинации определяет всю дальнейшую эволюцию и формирование НПК из усеченного декаэдрического зародыша.
Нами была выдвинута гипотеза о том, что микротрубки начинают формироваться из пентагональных стержней, когда размеры растущих при электрокристаллизации стержней в радиальном направлении достигают некоторых критических размеров (рис. 2, а). При этом предполагается, что формирование микротрубки из пентагонального стержня в процессе электрокристаллизации металла происходит одновременно по трем механизмам:
1) непосредственное встраивание в торцы стержня атомов, образующихся из ионов, поступающих из электролита (рис. 2, б, в);
а) б)
Рис. 1. Электронно-микроскопические картины эволюции пентагональных стержней из меди: а) стержни с огранкой; б) при размерах более 3 мкм наблюдаются пентагональные микротрубки
Рис. 2. Модель роста микротрубки из пентагонального стержня в процессе электроосаждения меди: а, б) пентагональный стержень, содержащий частичную дисклинацию и пять двойниковых границ; в-ж) пентагональный стержень с зарождающейся полостью; е) пентагональная микротрубка
2) диффузия адатомов вдоль боковых поверхностей к торцам стержня (рис. 2, б, в, е);
3) образования и излучения вдоль оси дисклина-ции дислокационных петель вычитания (рис. 2, е).
Быстрый рост НПК в процессе электроосаждения металла в направлении обусловлен несколькими
причинами, в частности тем, что плоскости {111}, ограняющие вершину НПК, обладают низкой удельной поверхностной энергией, вследствие чего содержат выгодные для встраивания атомов металла места. Подходящим из раствора к подложке ионам металла легче восстановиться именно на плоскостях {111}, чем на
боковых плоскостях {Ю0}. Кроме того, активность вершин НПК обусловлена также тем, что атомы на них устраиваются в двойниковых положениях, т. к. эти вершины содержат пять двойниковых границ (рис. 2, а). Двугранные входящие углы на плоскостях срастания двойников облегчают встраивание атомов в решетку (рис. 2, б). Рост же НПК в радиальном направлении сдерживается присутствием в нем семиградус-
ной дисклинации из-за квадратичной зависимости энергии ее поля от радиуса кристалла.
В процессе дальнейшего роста стержня, а стержня в трубку, в процессе электроосаждения металла начинает работать механизм зарождения и выброса дислокационных петель [З]. По нашему мнению, реализация механизма А. Е. Романова обеспечивается:
- структурой упругого поля соосной дисклинации (напряжения, сжимающие в центре и растягивающие на периферии);
- высокой концентрацией неравновесных вакансий, образующихся при электрокристаллизации металлов;
- высокотемпературным состоянием растущих торцов за счет выделяющейся скрытой теплоты кристаллизации.
В результате пентагональный стержень превращается в пентагональную микротрубку (рис. 2).
Таким образом, механизмы формирования пентагонального стержня, а затем микротрубки обусловлены наличием таких дефектов структуры, как частичная дисклинация и высокая концентрация неравновесных вакансий.
ЛИТЕРАТУРА
1. Викарчук А.А., Воленко А. П. Пентагональные кристаллы меди: многообразие форм роста и особенности внутреннего строения // ФТТ. 2005. Т. 47. Вып. 2. С. 339-344.
2. Викарчук А.А., Денисова Д.А., Довженко О.А., Тюрьков М.Н., Цыбускина И.И., Ясников И.С. Новые металлические функциональные материалы, состоящие из пентагональных частиц, кристаллов и трубок. Часть I. Механизмы образования и особенности строения пентагональных частиц и кристаллов // Журнал функциональных материалов. 2008. № 5. С. 163-174.
3. Колесникова А.Л., Романов А.Е. О релаксации напряжений в пентагональных нитевидных кристаллах // Письма в ЖТФ. 2007. Т. 33. Вып. 20. С. 73-79.
БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при поддержке Федеральной целевой программы «Научные и
научно-педагогические кадры инновационной России» (г/к № П2382 и № П2620).
Поступила в редакцию 15 апреля 2010 г.
Vikarchuk A.A., Gryzunova N.N., Dorogov M.V. Influence of defects of structure on mechanisms of growth of threadlike crystals and microproducts from them
In this work the influence of defects of structure on mechanisms of formation and the further growth of pentagonal cores and microtubes is investigated.
Key words: threadlike pentagonal crystals; microtubes; discli-nations.
