CC BY
51
УДК 621.3.4:537.533.35
ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ УФ ДИАПАЗОНА НА ПЛАСТИЧНОСТЬ ИОННЫХ КРИСТАЛЛОВ
© В.А.Федоров, Т.Н. Плужникова, М.В. Чемеркина, Р.А. Кириллов
Feodorov V.A., Pluzhnikova T.N., Chemerkina M.V., Kirillov R.A. Influence of electromagnetic radiation of an ultraviolet range on plasticity of ionic crystals. Influence of electromagnetic radiation of an ultra-violet range on the movement of dislocations in ionic crystals is investigated. It is presupposed that the interaction of dislocations with low-energy exci-ton forms the basis of the effects observed.
ВВЕДЕНИЕ
Воздействие ультрафиолетового (УФ) излучения на вещество сопровождается различными эффектами: упрочнением металлов [1], характерной окраской ЩГК [2] после совместного воздействия УФ излучения и ударной волны [3], изменением химического состава пленок фоторезисторов под действием импульсного УФ излучения [4], гашением магнитопластического эффекта [5] и т.д.
До настоящего времени исследования взаимодействия УФ излучения с веществом не потеряли своей актуальности как в научном плане, так и в прикладных направлениях.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Экспериментально исследовать влияние УФ излучения на движение скользящих дислокаций в ионных кристаллах путем установления зависимости длины дислокационных лучей краевой и винтовой ориентации в дислокационных «розетках», образующихся при ин-дентировании, от времени совместного воздействия нагрузки и УФ излучения.
Провести сопоставление диаграмм нагружения ионных кристаллов, полученных при одновременном УФ облучении и без него.
Оценить влияние УФ излучения на релаксационный рост упругого двойника в оптически прозрачных кристаллах исландского шпата.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Исследования влияния УФ излучения на движение скользящих дислокаций проводили на ионных монокристаллах Цр, №С1 с количественным содержанием примесей от 10-3 до 10-2 вес. %. Образцы с размерами 10x10x2 мм выкалывали по плоскостям спайности {100} из крупных блоков.
а) В первой серии экспериментов были установлены зависимости длины лучей в дислокационных «розетках» от продолжительности приложения нагрузки без облучения и с одновременным облучением.
Дислокационные «розетки» на поверхностях кристаллов Цр, №С1 выявляли химическим травлением
после воздействия индентором (пирамида Виккерса) на микротвердомере ПМТ-3. Время воздействия: 1, 3, 5, 20, 40 и 60 мин. Величины нагрузок 10, 20, 40 г.
Для облучения образцов использовали ртутнокварцевую лампу ПРК-2, дающую УФ излучение в интервале длин волн 250-350 нм. Инфракрасная часть спектра излучения лампы отсекалась водяным фильтром.
б) Во второй серии экспериментов образцы ЩГК (Цр, №С1) с размерами 4x7x2 мм подвергали сжатию на машине 1ш1гоп - 5565 со скоростью движения сжимающих пластин 0,01 мм/мин. в режимах:
- сжатие без облучения,
- сжатие при одновременном УФ облучении,
- сжатие при одновременном облучении предварительно облученных в течение 3 мин. образцов.
Во всех режимах снимали диаграмму нагрузка-деформация.
в) В этой серии экспериментов исследовали влияние УФ излучения на релаксационное подрастание упругого двойника в кристаллах исландского шпата в сравнении с его подрастанием в необлученных кристаллах. Для этого измеряли длину упругого двойника во времени.
Упругий двойник в кристалле получали по методике Р.И. Гарбера [6]. Образцы с размерами 18x12x13 мм выкалывали по плоскостям спайности из крупных блоков. Две противоположные грани образцов сошлифо-вывали перпендикулярно одной из плоскостей двойни-кования и направлению сдвига в ней. После этого воздействием сферического индентора Я = 1,5 мм в кристалле зарождали упругий двойник нагрузкой ~8 кг. Нагрузку оставляли постоянной, а длину упругого двойника измеряли до тех пор, пока релаксационный рост двойника не прекращался. Подрастающий упругий двойник просматривался в виде тонкого лепестка с интерференционной окраской.
Температура образцов во время опытов контролировалась термопарой и оставалась постоянной Т = 293 К. Используемые длины волн ультрафиолетового излучения находились в интервале X = 250-350 нм. Время воздействия нагрузки и УФ излучения на кристаллы исландского шпата и релаксационного роста достигало 4 ч.
Влияние УФ излучения на длину лучей дислокационных «розеток», генерируемых воздействием индентора Виккерса. На рис. 1 приведены зависимости длин лучей, содержащих краевые (рис. 1а) и винтовые (рис. 1б) дислокации от времени воздействия нагрузки на индентор с одновременным облучением и без него. Из рис. 1 видно, что в кристаллах без облучения длина лучей в «розетках» не зависит от времени действия нагрузки, но зависит от величины нагрузки. Одновременное действие нагрузки и облучения существенно изменяет ход зависимости. При малых временах совместного воздействия (3-4 мин) длины лучей, состоящие из краевых дислокаций, возрастают в сравнении с длиной лучей в необлученных кристаллах на -25-35%. Наиболее заметен эффект при нагрузках 10 г. В лучах, содержащих винтовые дислокации, время воздействия для максимального проявления эффекта заметно больше ~20 мин, а увеличение длины лучей составляет -15%.
Следует отметить, что дальнейшее увеличение времени совместного воздействия нагрузки и УФ облучения вызывает постепенное сокращение длин лучей до размеров соответствующих длинам лучей в кристаллах индентируемых без УФ облучения.
Влияние УФ излучения на деформацию сжатием кристаллов ЫР, №С1. Результаты исследований приведены на рис. 2. Выявлено, что при одновременном УФ облучении и нагружении кристаллов наблюдается разупрочнение материала в сравнении с кристаллом, деформируемым без облучения. При предварительном же облучении материала и последующей деформации с облучением наблюдается обратный эффект - кристалл упрочняется.
Предел пропорциональности в кристаллах при сжатии без облучения составляет -2 МПа, при сжатии и одновременном УФ облучении -1,5 МПа (снижение напряжения -на 25%), при сжатии и одновременном облучении предварительно выдержанных под действием УФ облучения в течение 3 мин. образцов -2,3 МПа (рост напряжения -15%).
Влияние УФ излучения на релаксационный рост упругого двойника в исландском шпате. В этой серии экспериментов кристалл с упругим двойником находился под воздействием УФ излучения. Результаты измерений длины двойника приведены на рис. 3.
Отмечено, что при воздействии УФ излучения релаксационное подрастание упругого двойника происходит на большую длину - на 35%, в сравнении с его подрастанием в кристаллах без облучения.
В основу наблюдаемых эффектов может быть положен механизм взаимодействия дислокации в ионных кристаллах с низкоэнергетическими экситонами [7]. Последние образуются при облучении ионных кристаллов УФ и рентгеновскими лучами. Взаимодействие экситона с заряженной ступенькой на дислокации сопровождается смещением ее на одно межатомное
Рис. 1. Зависимости изменения длины лучей «розеток», содержащих краевые (а) и винтовые (б) дислокации в кристаллах №С1 от времени воздействия: 1 - нагрузки, без облучения УФ; 2 - нагрузки и УФ облучения
Рис. 2. Диаграммы напряжение-деформация для кристаллов ЫР: 1 - сжатие кристалла без облучения; 2 - сжатие при одновременном воздействии УФ излучения; 3 - предварительное облучение образца в течение 3 мин. и последующее нагружение с облучением
8,%
у
- Л —ii
- 1 f Р
1 I 1 1 1 1 1 1 1 1 I 1
О 50 100 150 200 t, min
Рис. 3. Зависимость относительного изменения длины упругого двойника от времени воздействия: 1 - нагрузки, 2 - нагрузки и УФ облучения
расстояние. Это взаимодействие вызывает увеличение винтовых составляющих дислокации, остановленной каким-либо стопором. Аннигиляция винтовых отрезков сопровождается отрывом дислокации от стопора. Таким образом, дислокационно-экситонное взаимодействие может способствовать преодолению дислокацией стопора и обеспечивать ее более легкое движение. При дислокационно-экситонном взаимодействии образуются ^-центры, распад которых сопровождается люминесценцией. В наших экспериментах наблюдалась люминесценция щелочногалоидных кристаллов при воздействии УФ излучения и исландского шпата при рентгеновском излучении, что косвенно подтверждает действие предложенного механизма [8].
ВЫВОДЫ
1. Установлено, что в щелочно-галоидных кри-
сталлах величины пробегов лидирующих дислокаций в лучах дислокационных «розеток», генерированных индентором Виккерса, имеют максимум при небольших временах нагружения и одновременного УФ облучения. По мере увеличения времени воздействия на кристалл, фиксируемые величины пробегов уменьшаются и становятся сопоставимыми с величинами про-
бегов, дислокаций при нагружении без облучения. Наблюдаемый максимум наиболее выражен для краевых дислокаций как по величине, так и по степени его локализации.
2. Установлено, что при одновременном УФ облучении и нагружении ЩГК наблюдается разупрочнение материала Aacompression ~ 25%. При предварительном же облучении кристаллов наблюдается обратный эффект - кристалл упрочняется Aocompression ~ 15%. Предполагается, что наблюдаемые явления могут быть связаны с дислокационно-экситонным взаимодействием.
3. Экспериментально установлено неравноценное релаксационное подрастание статического «упругого» двойника в ионных кристаллах исландского шпата при воздействии постоянной нагрузки и совместном воздействии постоянной нагрузки и УФ облучения, обусловленное изменением условий движения двойни-кующих дислокаций, в частности, за счет более легкого преодоления стопоров.
ЛИТЕРАТУРА
1. Федоров А.И. Упрочнение металлов под воздействием УФ-из-лучения // Письма в ЖТФ. 1998. Т. 24. № 23. С. 14-18.
2. Абрамишвили М.Г., Ахвледиани З.Г. Образование стабилизированных F2-центров в окрашенных кристаллах LiF под действием внешних полей // ФТТ. 1998. Т. 40. №11. С. 2044-2050.
3. Абрамишвили М.Г., Ахвледиани З.Г. Калабегишвили Т.Л., Квачадзе В.Г., Саралидзе З.К. Релаксационные процессы в окрашенных кристаллах LiF после совместного воздействия УФ излучения и ударной волны // ФТТ. 2000. Т. 42. №10. С. 1794-1799.
4. Калитеевская Н.А., Сейсян Р.П. Моделирование фотохимических превращений и фотопотемнения пленок фоторезисторов под действием импульсного вакуумного ультрафиолетового излучения // Физика и техника полупроводников. 2000. Т. 34. Вып. 7. С. 857-860.
5. Головин Ю.И., Моргунов Р.Б., Бадылевич М.В., Шмурак С.З. Оптическое гашение магнитопластического эффекта в кристаллах NaCl // ФТТ. 1997. Т. 39. № 8. С. 1389-1391.
6. Гарбер Р.И. Образование упругих двойников при двойниковании кальцита и натронной селитры // ДАН СССР. 1938. Т. 21. № 5. С. 233-235.
7. Ван-Бюрен. Дефекты в кристаллах. М.: Изд-во иностранной литературы, 1962.
8. Feodorov V.A., Plushnikova T.N., Tjalin Yu.I., Chivanov A.V., Chemer-kina M. V. Kirillov R.A. Mechanism of healing microcracks in alkali-halide crystals // Proceeding of SPAS. St. Peterburg, Russia. 6-12 June. 2005. V. 6253. P. 62530K1-62530K4.
БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант №05-01-00759).
Поступила в редакцию 5 декабря 2006 г.
