Фигуры травления
Фигуры травления на гранях кристаллов можно получить путем подбора соответственного растворителя (травителя) и режима травления. Так, при опускании кристалла хлористого натрия в раствор метилового спирта на гранях куба появляются углубления в виде квадратных пирамидок (рис. 78).
Фигуры травления большей частью представляют «отрицательные кристаллы», ограненные плоскостями, параллельными действительным или возможным граням кристалла.
На рисунке 79 показаны фигуры травления на гранях (110), (120) и (001) топаза, относящегося к ромбо-бипирамидальному виду симметрии. Ромбоэдр исландского шпата, погруженный на несколько секунд в разбавленную соляную кислоту и обтертый фильтровальной бумагой, покроется многочисленными углублениями, имеющими плоскость симметрии. На основании этого кальцит причисляется к голоэдрическому дитригонально-скаленоэдрическому виду симметрии 3m (рис. 80, а). Для ромбоэдра доломита получаются фигуры травления без плоскости симметрии (рис. 30 б) и следовательно, кристалл доломита принадлежит к гемиэдрпческому ромбоэдрическому виду симметрии 3. По форме фигур травления и их ориентации кристаллографы судят о при
сутствии тех или иных элементов симметрии и о том, представляет ли данное тело монокристалл, поликристалл или двойник. Фигуры травления оказывают большую помощь, например, в распознавании двойников кварца.
Иногда фигуры травления настолько малы, что даже под микроскопом трудно изучимы. В таких случаях о симметрии фигур травления судят по световым фигурам, которые проектируются на экран при отражении света от грани или при прохождении света от точечного источника через пластинку, вырезанную параллельно грани. А. В. Шубников получал фигуры астеризма в пластинках кварца, травленных плавиковой кислотой с одной стороны (рис. 81).
Изучение световых фигур основано на принципе максимального блеска. Соответствующий метод состоит во вращении под микроскопом протравленного шлифа, освещенного косым падающим светом и в определении угла между двумя максимальными блееками отдельных кристаллов. Максимальные вспышки происходят в те моменты, когда свет будет отражаться от соответствующей грани фигуры травления. По числу вспышек можно определить ориентацию кристалла.
С 1953 г. изучение фигур травления стало также методом для обнаружения дефектов строения кристаллов: краевых и винтовых дислокаций, точечных дефектов, границы зерен и субзерен в монои поликристаллах. В основе метода лежит предположение о существовании связи между ямками, образующимися при травлении на поверхности кристалла, с выходами на эту поверхность дефектов.
Растворение и испарение кристалла начинается прежде всего с дефектных мест структуры, так как здесь ионы, атомы и молекулы обладают повышенной химической активностью. Фигуры травления, возникающие на разных дефектах, характеризуются различными формами и расположением. Фигуры, возникшие на точечных дефектах, имеют форму плоскодонных ямок, располагаются на гранях хаотически и существуют кратковременно. Фигуры, возникшие на дислокациях, имеют форму пирамидальных ямок и для них, как правило, характерно секториальное распределение. При травлении многих кристаллов разных веществ обнаружено, что спирали роста быстро стравливаются и остаются ямки. Расширяясь и углубляясь, они принимают определенные формы и в конечном счете образуют даже сквозные дырки. Ямки меньших размеров образуются также на границах двойников, ступеньках и краях фронта роста кристаллов.
Форма фигур травления зависит от примесей и от их распределения в кристалле. Скопление примесей вблизи дислокаций в одних случаях усиливает эффект преимущественного растравливания кристалла в местах выхода дислокаций на поверхность, но в других случаях наблюдается обратное явление.
Сейчас техника травления для выявления дислокаций хорошо разработана. Для большого числа разнообразных кристаллов пообраны травители, изучено действие травителей на различные кристаллические плоскости.
Следует отметить, что основные данные об условиях образования ямок травления на дислокациях получены пока экспериментально, а не теоретическим путем.
И. Гилман, В. Джонстон и Г. Сирс впервые сделали попытку объяснить химическую сторону процесса избирательного травления. Травитель должен удовлетворять определенным требованиям. Его основа — вещество, слабо растворяющее кристалл (0,07— 0 02 г на 100 cm3). Например, в случае LiF основой травителя служит вода, а в случае NaCl — ледяная уксусная кислота. К растворителю необходимо добавлять нужное количество хорошо растворяющегося в нем активатора. При этом катион добавки должен образовывать с анионами кристалла либо устойчивые комплексы, либо труднорастворимые соли. Радиус катиона добавки к травителю должен быть близким к радиусу катиона кристалла. Для NaCl допускается расхождение в радиусах до 15%. Степень устойчивости комплекса или соли определяет качество травителя. Эти соединения оседают на ступеньках растворения, экранируя их, и тем самым замедляют дальнейшее продвижение ступеньки вдоль поверхности.
Подбирая оптимальную концентрацию активатора, можно обеспечить определенное соотношение нормальной vn и тангенсациальной vs скорости растворения кристалла. При vn/vs</sub>>=0,1 образуются наиболее четкие ямки травления на дислокациях. Так, для NaCl оптимальная коецентрация активной примеси CdCl2 составляет 2*10-4 молярных частей. Дальнейшее повышение концентрации ухудшает картину травления за счет выпадения осадка на травимой поверхности.
Влияние других факторов на эффект травления можно продемонстрировать на примере тех же кристаллов NaCl (по Н. Ф. Костину и др.). При малом времени травления — 1—1,5 мин без помешивания и до 0,5 мин при помешивании растворов, содержащих оптимальные количества разных солей Cd, одинаково образуются ямки, составленные гранями тетрагонтриоктаэдра. При увеличении времени травления образуются еще и грани пирамидального куба. Очень сильное перемешивание приводит к образованию ямок конической формы. Скорость vn при спокойном травлении уменьшается со временем, тогда как при травлении с перемешиванием она остается постоянной.
Наблюдение показывает, что грани различных простых форм травятся по-разному. Небольшие отклонения в составе травителя и режима травления приводят иногда к существенному изменению результатов травления. Один состав травителя позволяет различать «старые» и «новые» дислокации, поскольку старые дислокации обычно оказываются окутанными облаком примесей, другой состав травителя такой способности не проявляет.
Фигуры травления могут быть получены при воздействии других агентов: воздуха или инертных газов при повышенной температуре, электротравления, ионной бомбардировки, осаждения посторонних веществ или выделения примесей, имеющихся в кристалле. Среди них метод травления остается самым плодотворным, он более избирателен по отношению к разного рода нарушениям.
Для доказательства однозначной связи ямок травления с выходами дислокаций используются совместно метод травления и метод декорирования линий дислокаций. Так, используя метод диффузии металлического Na в кристалле NaCl, можно получить окрашенные линии, пронизывающие весь кристалл, и показать, что эти линии соответствуют дислокационным.
Метод травления позволяет увидеть движение дислокаций. Благодаря этому было обнаружено происхождение дислокаций, в частности, источник Франка—Рида, рождающий кольца дислокаций за счет работы внешних сил.
Скачать реферат: