Выявление тонкой структуры кристаллов. Справочник.

Впервые обобщен большой справочный материал по способам подготовки поверхности и выявлению тонкой структуры металлических (цветных и черных) и неметаллических (ионных, полупроводниковых) кристаллов с помощью металлографических методов. Материал позволяет подобрать составы растворов и режимы полировки и травления с целью определения качества кристаллов, их соединений, а также сплавов, используемых в практике.

Предназначен для широкого круга специалистов — металлургов, металловедов, металлофизиков и физиков. Может быть полезен для преподавателей, аспирантов и студентов, специализирующихся по физике твердого тела, металлофизике и металловедению.

Поведение   кристаллических   тел   в  условиях   кристаллизации,     последующей обработки и   эксплуатации   определяется различными   дефектами   в  строении решетки.  К числу таких дефектов относятся чужеродные    атомы,    вакансии,    дислокации,    границы    зерен и т. д.

Современные представления о подобного рода дефектах решетки предъявляют все большие и большие требования к разработке детальных методов исследования типов, плотности и характера распределения дефектов. Существенные сведения приносят достаточно надежные и простые металлографические методы, с помощью которых по фигурам травления, появляющимся после воздействия на поверхность определенной среды (раствора, расплава, газа и т.д.), можно судить о дефектных местах кристалла.

Метод фигур травления издавна применяли для оценки симметрии кристаллов в работах по минералогии и кристаллографии. Этот метод оказался эффективным и для изучения скорости растворения кристаллов. Процесс растворения тесно связан с процессом роста кристаллов, так как они оба имеют общую физическую основу и являются вследствие этого в значительной степени взаимно обратимыми. Поэтому в первой части книги наряду с основными определениями, характеризующими метод фигур травления, даются современные теоретические и практические представления о росте и растворении кристаллов. Приводятся в основном те положения теории и практики, которые могут быть полезными для более детального рассмотрения собственно метода фигур травления.

В 40—50-х годах метод фигур травления все шире начинают применять для выявления дефектов кристаллического строения твердых тел, в частности дислокаций, в связи с чем его иногда называют методом «дислокационного травления». Появляются теоретические работы по механизму и условиям образования видимых ямок травления в местах выхода дислокаций на поверхность кристалла. Следует, однако, отметить определенное расхождение между теорией и практикой выявления дислокаций с помощью метода фигур травления.

Существующие теоретические положения, разработанные к настоящему времени, не позволяют пока научно обоснованно подойти к подбору состава и условий травления и к оценке влияния различных факторов на плотность и характер распределения выявленных с цо-мощью фигур травления дислокаций. Отсюда, естественно, возникают трудности при объяснении полученных результатов. Следует отметить, что основные закономерности и принципы, которыми пользуются при подборе состава и условий травления, определены экспериментальным путем.

Во второй части книги, посвященной теории образования фигур травления, излагаются теоретические по- ложения, касающиеся механизма дислокационного травления, а также описан процесс выявления структуры с помощью химического травления. Цель этого материала— освещение современного состояния теории образования фигур травления, необходимого для прогнозирования подбора травителя и объяснения экспериментальных данных. При этом излагаются основные положения кристаллографии, теории дислокаций, физической химии, необходимые для понимания вопроса.

Третья часть книги посвящена методике подготовки поверхности и выявлению структуры с помощью метода фигур травления. К третьей части книги относятся приложения, в которых приведены составы и условия химического и электролитического полирования и травления металлических, ионных и полупроводниковых кристаллов.

Следует отметить, что для оценки надежности метода фигур травления последний применяют в сочетании с другими методами исследования. Поскольку выяснена важная роль примесей в процессе образования фигур травления, особое место в связи с этим занимает мик-роавторадиографический метод исследования. В этой же части книги приведены примеры использования методов математической статистики для изучения плотности и характера распределения фигур травления, а также указаны приемы автоматического счета фигур травления.

Четвертая часть книги отражает наиболее важные области применения метода фигур травления для изучения структуры реальных кристаллов, поверхности деформированных кристаллов, механизма пластической деформации и рекристаллизации,   а   также   структуры облученных кристаллов.

Автор выражает глубокую признательность академику А.А.Бочвару за постоянное внимание и поддержку в работе по исследованию фигур травления, основные результаты которой приведены в настоящей книге. Автор считает также своим долгом выразить искреннюю благодарность А.А.Предводителеву, В.Н.Рожанскому, Ж.М.Надгорному, В.В.Никитенко, Э.Ю.Гутманасу, Г.К.Барановой, Е.Г.Попковой, Л.А.Урусовской, Н.А.Тяпуниной, Ю.А.Скакову, А.А.Чернову, М.Г.Мильвидскому, Л.В.Лайнер, Е.М.Савицкому, Г.Вадевицу,  Г.Бетке,  К.Келлеру, В.Бернхарду, Г.Рингпфейль, П.Финке, Е.М.Хербсту, предоставившим ему фотографии фигур травления для использования в данной книге.

Автор глубоко признателен рецензенту докт. физ.-мат. наук А. А. Предводителеву за ценные замечания, которые  были  сделаны при  рецензировании  рукописи.

В настоящее   время   следует   с полным основанием  считать,   что   механические, химические,   физико-химические   и другие свойства кристаллических тел определяются  реальной структурой,  которая  в  отличие   от идеальной структуры характеризуется различного рода дефектами строения   (в технической литературе принят ряд   терминов:   дефекты,    несовершенства,    искажения структуры и т.д.).Следует отметить, что еще в 1798 г. В.М.Севергин классифицировал минералы по внешним признакам: наружному виду, состоянию поверхности, излому, твердости, хрупкости, плотности, гибкости и т.д. [1]. Несколько позже, в 1863 г., Н.И.Кокшаров дал описание несовершенств поверхности натуральных кристаллов. После теоретического предсказания Е.С.Федоровым в 1889 г. всех возможных кристаллических структур потребовалось экспериментальное доказательство закономерного расположения частиц кристаллов. Это стало возможным с открытием лучей Рентгена в 1895 г. Наконец, после открытия в 1912 г. Лауэ явления дифракции рентгеновских лучей, проходящих через кристалл, а также после открытия закона отражения рентгеновских лучей от плоскостей пространственной решетки Вульфа — Брэгга развитие рентгеноструктурного анализа позволило подтвердить идеи Е.С.Федорова о симметричном расположении атомов в кристаллах. Классические исследования с помощью рентгеноструктурного анализа основаны на представлениях об идеальной кристаллической решетке. Однако экспериментальные наблюдения реальной кристаллической структуры заставили учитывать различного рода отклонения от идеальной структуры. Речь идет о дефектах решетки, имеющих относительно малую концентрацию в объеме кристалла. Дефекты в кристалле рассеивают рентгеновские лучи не по всему облучаемому объему когерентно, как следовало ожидать от действительно идеального кристалла. Поэтому не случайно, что через два года после открытия интерференции рентгеновских лучей Дарвин обнаружил и правильно объяснил мозаичную структуру кристаллов.