Инверсионные домены в вюртцитном нитриде бора

Методом просвечивающей электронной микроскопии изучена доменная структура, возникающая в вюртцитном нитриде бора при его ударно-волновом синтезе. Прослежены изменения доменной структуры при термообработках вюртцитного BN в условиях высоких статических давлений. Рассмотрены возможные механизмы анниги...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2008
Hauptverfasser:	Бритун, В.Ф., Курдюмов, А.В., Даниленко, А.И.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України 2008
Online Zugang:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/17667
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Инверсионные домены в вюртцитном нитриде бора / В.Ф. Бритун, А.В. Курдюмов, А.И. Даниленко // Электронная микроскопия и прочность материалов: Сб. научн . тр. — К.: ІПМ НАН України, 2008. — Вип. 15. — С. 114-119. — Бібліогр.: 14 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-17667
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-176672025-02-09T14:36:44Z Инверсионные домены в вюртцитном нитриде бора Бритун, В.Ф. Курдюмов, А.В. Даниленко, А.И. Методом просвечивающей электронной микроскопии изучена доменная структура, возникающая в вюртцитном нитриде бора при его ударно-волновом синтезе. Прослежены изменения доменной структуры при термообработках вюртцитного BN в условиях высоких статических давлений. Рассмотрены возможные механизмы аннигиляции доменных границ. 2008 Article Инверсионные домены в вюртцитном нитриде бора / В.Ф. Бритун, А.В. Курдюмов, А.И. Даниленко // Электронная микроскопия и прочность материалов: Сб. научн . тр. — К.: ІПМ НАН України, 2008. — Вип. 15. — С. 114-119. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. XXXX-0048 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/17667 548.3:539.2 ru application/pdf Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
description	Методом просвечивающей электронной микроскопии изучена доменная структура, возникающая в вюртцитном нитриде бора при его ударно-волновом синтезе. Прослежены изменения доменной структуры при термообработках вюртцитного BN в условиях высоких статических давлений. Рассмотрены возможные механизмы аннигиляции доменных границ.
format	Article
author	Бритун, В.Ф. Курдюмов, А.В. Даниленко, А.И.
spellingShingle	Бритун, В.Ф. Курдюмов, А.В. Даниленко, А.И. Инверсионные домены в вюртцитном нитриде бора
author_facet	Бритун, В.Ф. Курдюмов, А.В. Даниленко, А.И.
author_sort	Бритун, В.Ф.
title	Инверсионные домены в вюртцитном нитриде бора
title_short	Инверсионные домены в вюртцитном нитриде бора
title_full	Инверсионные домены в вюртцитном нитриде бора
title_fullStr	Инверсионные домены в вюртцитном нитриде бора
title_full_unstemmed	Инверсионные домены в вюртцитном нитриде бора
title_sort	инверсионные домены в вюртцитном нитриде бора
publisher	Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України
publishDate	2008
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/17667
citation_txt	Инверсионные домены в вюртцитном нитриде бора / В.Ф. Бритун, А.В. Курдюмов, А.И. Даниленко // Электронная микроскопия и прочность материалов: Сб. научн . тр. — К.: ІПМ НАН України, 2008. — Вип. 15. — С. 114-119. — Бібліогр.: 14 назв. — рос.
work_keys_str_mv	AT britunvf inversionnyedomenyvvûrtcitnomnitridebora AT kurdûmovav inversionnyedomenyvvûrtcitnomnitridebora AT danilenkoai inversionnyedomenyvvûrtcitnomnitridebora
first_indexed	2025-11-26T21:41:53Z
last_indexed	2025-11-26T21:41:53Z
_version_	1849890772415938560
fulltext	114 УДК 548.3:539.2 Инверсионные домены в вюртцитном нитриде бора В. Ф. Бритун, А. В. Курдюмов, А. И. Даниленко Методом просвечивающей электронной микроскопии изучена доменная структура, возникающая в вюртцитном нитриде бора при его ударно-волновом синтезе. Прослежены изменения доменной структуры при термообработках вюртцитного BN в условиях высоких статических давлений. Рассмотрены возможные механизмы аннигиляции доменных границ. Введение Для кристаллов соединений со структурами вюртцита или сфалерита характерно наличие полярной оси, что приводит к существенным различиям свойств полярно противоположных граней этих кристаллов. В таких кристаллах могут образовываться домены, различающиеся ориентацией полярной оси [1, 2]. Эти домены получили название инверсионных доменов (ИД), а границы между ними ― инверсионных границ (ИГ) [2, 3]. Экспериментально инверсионные домены обнаружены в ряде соединений, имеющих структуру вюртцита: ZnO [4], AlN [5], BeO [6], GaN [7]. В работах [1, 6, 7] представлены модели атомного строения инверсионных границ в таких соединениях. В работе [8] авторы обнаружили плоские дефекты в призматических плоскостях вюртцитного BN (BNв) и предположили, что эти дефекты являются инверсионными границами. Настоящая работа посвящена исследованию ИД в вюртцитном нитриде бора, их атомной структуры, а также термостабильности этих дефектов в BNв. Образцы для исследований Вюртцитный нитрид бора для исследований получали из порошка графитоподобного нитрида бора (BNг) гексагональной модификации двумя способами: в условиях ударного сжатия при давлении порядка 20 ГПа и в условиях высокого статического сжатия при давлении 7,7 ГПа. Поскольку образование BNв происходит только в ходе мартенситных превращений высокоупорядоченного графитоподобного BN [9], в качестве исходного использовали BNг с высокой степенью трехмерного упорядочения (Р3 > 0,95). Величину Р3 определяли по методике, описанной в работе [10]. Для элекронно-микроскопических исследований выбран BNг с достаточно крупным зерном (средний размер зерен около 10 мкм), а для уменьшения эффекта диспергирования BN ударной волной сжатию подвергали смесь BNг с водой. После отмывки продуктов ударного сжатия от остаточного BNг из порошка BNв приготовили 5 компактных образцов для исследований структуры. Образец № 1 получен компактированием смеси порошка BNв с эпоксидной смолой. Образцы № 2―5 готовили прессованием порошка BNв без добавок при высоком статическом давлении (время сжатия ― 90 с при давлении 7 ГПа и температурах 500, 700, 1000 и 1200 оС соответственно). Еще три образца © В. Ф. Бритун, А. В. Курдюмов, А. И. Даниленко, 2008 115 (образцы № 6―8), содержащие BNв, получены методом статического сжатия исходного BNг (давление ― 7,7 ГПа, температура ― 700, 1000 и 1200 оС). Тонкие объекты для электронно-микроскопических исследо- ваний готовили методом ионного распыления. Все образцы исследовали методами рентгеновской дифрактометрии (дифрактометр HZG-4a) и просвечивающей электронной микроскопии (микроскоп JEM-100CX). Результаты и их обсуждение Исследование структуры образцов № 6―8, в которых образование BNв происходило при статическом сжатии, показало, что содержание вюртцитной фазы составляло 5―20% (об.). В зернах вюртцитного BN этих образцов наблюдались только базисные дефекты упаковки (ДУ), а инверсионные границы не обнаружены. В вюртцитном BN, полученном при ударном сжатии, присутствовали многочисленные плоские дефекты, залегающие в призматических плоскостях (рис. 1, а). Дефектная структура зерен BNв в образцах № 1 и 2 существенно не различается: очевидно, приготовление компактного образца сжатием при 500 оС не приводит к заметному изменению де- фектной структуры зерен. Линейная плотность призматических дефектов в образцах № 1 и 2 достигает 108 м-1. (Отметим, что расстояние между дефектами L ≈ 10 нм достаточно хорошо согласуется с размерами ОКР в направлении [hk0], определенными рентгенографически в работе [9]). В зернах BNв этих образцов встречаются также редкие ДУ, залегающие в базисных плоскостях (0001). В зернах BNв образца № 3 наблюдается заметное увеличение количества базисных ДУ и снижение плотности призматических дефектов (рис. 2). В образце № 4 плотность призматических дефектов уменьшилась примерно на два порядка, тогда как плотность базисных ДУ резко возросла. В образце № 5 выявлены только базисные дефекты упаковки, а дефекты в призматических плоскостях отсутствовали (рис. 1, в). Идентификацию дефектов в призматических плоскостях проводили по методике, описанной в работе [11]. На доменах, разделенных призматическими дефектами, наблюдались особенности электронно-микроскопического контраста, характерные для ИД. Так, на светлопольных изображениях контраст соседних доменов одинаков, контраст на границах доменов ― слабый. При ориентировке зерна осью зоны [100] параллельно электронному пучку на темнопольных изображениях, полученных в рефлексах hkl c нечетным l, виден сильный контраст от границ между доменами (рис. 1, а), а в рефлексах с четным l ― контраст на границах отсутствует (рис. 1, б). На темнопольных изображениях наблюдается также изменение контраста при смене действующего рефлекса g на –g (рис. 2, а, б). Наличие контраста на ИГ в рефлексах 101, 103 и погасание контраста в рефлексах 002, 100 и 102 позволило определить вектор сдвига на ИГ как R r = 1/2 [001] (особенности контраста определяются фазовым множителем R2 rr ⋅π=α g , где R r ― вектор сдвига на границе; g ― величина действующего вектора отражения). При наблюдении ИГ в зернах BNв, ориентированных осью зоны [100] параллельно электронному лучу, след ИГ на изображении параллелен оси [001] BNв. А в зернах, ориентированных осью зоны [011] параллельно лучу, след ИГ на изображении перпендикулярен направлению [210] BNв. Эти 116 Рис. 2. Контраст на инверсионных доменах. Изображения в рефлексах g = 011 (а) и 110 (б). Область внутри треугольника АВС соответствует эксцинкционному контуру. данные показывают, что ИГ залегают в плоскостях типа {100} BNв. Инверсионные домены имеют форму пластин толщиной 10―20 нм. Как правило, зерно BNв оказывается разделенным на фрагменты, в каждом из которых присутствует система параллельных ИГ. Дифракционные эффекты, обусловленные наличием ИГ, показаны на рис. 3, а. На электронограмме видно, что дифракционные максимумы с нечетными l заметно уширены в направлении [210]* обратной решетки, тогда как рефлексы с четными l практически не уширены. Для сравнения на рис. 3, б показана электронограмма зерна BNв образца № 4, подвергнутого термообработке при 1000 оС. В последнем концентрация ИГ примерно на два порядка ниже, а концентрация ДУ на два порядка выше, чем в образце № 1. Сравнение электронограмм показывает, что отжиг ИГ и образование базисных ДУ меняют и характер уширения 117 Рис. 3. Микроэлектронограммы зерен BNв с высокой плотностью инверсионных границ (а, образец № 1) и базисных дефектов упаковки деформационного типа (б, образец № 4). дифракционных максимумов. Уширение дифракционных максимумов в направлении [210]* исчезает, но появляется уширение в направлении [001]*. Отметим, что дифракционные эффекты наблюдаются и на рентгеновских дифрактограммах вюртцитного BN с высокой плотностью ИГ. На рис. 4 показана зависимость ширины дифракционных максимумов от дифракционного угла для порошка BNв [9]. Видно, что максимумы с нечетным l уширены заметно сильнее, чем с четным. Возможные варианты атомной структуры ИГ, залегающих в плоскостях {100} кристаллов со структурой вюртцита, рассмотрены в работе [7]. При этом для границ с вектором сдвига R r = 1/2 [001] предложено две модели структуры V1 и V2 (рис. 5). Отметим, что вектор сдвига R r на ИГ типа V1 и V2 определяли в работах [7, 8 и 12] по атомным моделям границ, при этом в отмеченных работах предложены разные величины сдвига на границе. Различия обусловлены тем, что авторы разных работ по-разному выбирают элементарные ячейки слева и справа от ИГ (в работе [7] ячейки различаются сортом атомов в вершинах, а в [8 и 12] ― операцией инверсии относительно центра ячейки). Определенное нами экспериментально значение R r соответствует величине, приведенной в работе [7]. Анализ структурных перестроек кристаллической решетки в ходе мартенситного превращения BNг → BNв, при котором плоскость (001) BNг гофрируется и расщепляется на два подслоя (этот процесс из- вестен как процесс гофрировки [13]), показывает, что в ходе превращения могут образовы- ваться оба типа границ: V1 и V2. В обоих случаях появление ИГ обусловлено двумя вариантами Рис. 4. Зависимость ширины мак- симума на рентгенограмме BNв от угла дифракции [9]. 118 расщепления плоскости (001) BNг, различающимися смещениями атомов бора (азота) вверх или вниз, что и определяет образование доменов с разной ориентацией полярной оси [001]. Проведенные в работе эксперименты с компактированием исходного порошка BNв в условиях высоких давлений и температур показали, что ИГ нестабильны при температуре порядка 1000 оС и выше. Перестройку границ при отжиге можно представить как процесс поворота рядов связей В1 и В2, сопровождающийся разрывом связей В3 и образованием связей В4. Перемещение границы V1 на расстояние L1 показано на рис. 5, где пунктирные линии соответствуют положению связей после поворотов. Заметим, что все эти перестройки не связаны с диффузией и по своему характеру напоминают атомные перестройки при движении частичных дислокаций Шокли в структуре вюртцита [14]. Когда перемещающаяся ИГ1 подходит к соседней ИГ2, происходит их аннигиляция, при этом три инверсионных домена сливаются в один. Отметим, что описанные повороты связей могут приводить не только к перемещению ИГ, но и к перестройке ИГ типа V1 в ИГ типа V2 (рис. 5). Наличие в монокристаллической частице большого количества ИД может нивелировать различие макросвойств полярно противоположных граней этой частицы. В свою очередь, это может оказать влияние на процессы спекания таких частиц и особенности структуры межзеренных границ, формирующихся при спекании. Для частиц BNв характерна пластинчатая форма, при этом развитые поверхности соответствуют полярно противоположным граням. Перед спеканием BNв в исходной засыпке бόльшая доля межчастичных контактов соответствует контактам по развитым базисным плоскостям (001). При этом примерно в половине случаев контактируют грани B и N, а другая половина базисных контактов соответствует контактам граней B―B и N―N. При контакте поверхностей N―N или В―В могут формироваться границы со слабыми связями: N―N или В―В. Для образования из таких контактов границ со связями B―N необходим диффузионный перенос атомов на расстояния, соиз- меримые с размерами частиц. В случае наличия в частицах инверсионных доменов на всех гранях присутствуют как атомы бора, так и атомы азота Рис. 5. Схема атомной структуры инверсионных границ V1 и V2. Показана перестройка связей при перемещении границы V1 на расстояние L, а также при превращении границы V1 в V2. 119 и для формирования связей B―N при спекании достаточно переноса атомов на расстояния, соизмеримые с размером домена. Выводы Образование вюртцитного BN в результате бездиффузионного фазового превращения BNг → BNв в условиях ударного сжатия сопровождается формированием в зернах BNв инверсионных доменов, которые разделены инверсионными границами, залегающими в призматических плоскостях {100}. Границы характеризуются вектором смещения R r = 1/2 [001] и относятся к границам типа V1 и V2. Домены имеют плоскую форму, их толщина составляет 10―20 нм. Доменная структура, образовавшаяся в вюртцитном BN при фазовом превращении, нестабильна. При температурах порядка 1000 оС начинается интенсивный отжиг ИГ, который связан с бездиффузионным перемещением и аннигиляцией соседних ИГ. Прохождение ИГ через кристалл меняет направление полярной оси в кристалле, а рассмотренный механизм перемещения ИГ показывает, что такой “поворот” оси может происходить за счет протекания бездиффузионных перестроек. Образования инверсионных доменов при превращении BNг в BNв в условиях статического сжатия не обнаружено. Возможно, это обусловлено различиями процессов зарождения вюртцитной фазы при динамическом и статическом сжатии. 1. Holt D. B. Antiphase boundaries in semiconducting compounds // J. Phys. Chem. Solids. ― 1969. ― 30. ― P. 1297―1308. 2. Holt D. B. Polarity reversal and symmetry in semiconducting compounds with the sphalerite and wurtzite s tructures // J. of Mater. Science. ― 1984. ― 19. ― P. 439―446. 3. Pond R. C., Holt D. B. Antisymmetry of surfaces and interfaces in polar material // J. de Phys. ― 1982. ― 43, No. 10. ― P. C1―57―62. 4. Kim J. C. and Goo E. The inversion twine boundaries in zinc oxide // J. Amer. Ceram. Soc. ― 1990. ― 73. ― P. 877―884. 5. Westwood A. D. and Notis M. R. Ynversion domain boundaries in aluminum nitride // Ibid. ― 1991. ― 74. ― P. 1226―1239. 6. Austerman S. B. and Gehman W. G. The inversion twine prototype in beryllium oxide // J. Mater. Sci. ― 1966. ― 1. ― P. 249―260. 7. Potin V., Ruterana P. and Nouet G. The atomic structure of {1010} inversion domain boundaries in GaN/sapphire layers // J. Appl. Phys. ― 1997. ― 82. ― P. 2176―2183. 8. Britun V. F. and Kurdyumov A. V. Crystal defect generation during diffusionless transformations of boron nitride by puckering mechanism // J. Mater. Sci. ― 1999. ― 34. ― P. 5677―5680. 9. Курдюмов А. В., Пилянкевич А. Н. Фазовые превращения в углероде и нитриде бора. ― К.: Наук. думка, 1979. ― 188 с. 10. Курдюмов А. В. О дефектах упаковки в графитоподобном нитриде бора // Кристаллография. ― 1975. ― 20, № 5. ― С. 969―973. 11. Snykers M., Serneels R., Delavignette P. et al. Diffraction contrast between inversion domains and at inversion domen boundaries // Phys. Stat. Sol. (a). ― 1977. ― 41. ― P. 51―63. 12. Dimitrakopulos P., Komninou Ph., Kioseoglou J. et al. Structural transition of inversion domain boundaries through interactions with stacking faults in epitaxial GaN // Phys. Rew. B. ― 2001. ― 64. ― P. 245325-1―245325-12. 13. Riter J. R. Interpretation of diamond and graphite compressibility data using molecular force constants // J. Chem. Phys. ― 1970. ― 52, No. 10. ― P. 5008―5010. 14. Alexander H. Dislocations in Covalent Crystals // Dislocations in Solids / Ed. F. R. N. Nabarro. ― Amsterdam: Elsevier. ― 1986. ― 7, Ch. 35. ― P. 114―234.

Инверсионные домены в вюртцитном нитриде бора

Institution

Ähnliche Einträge