Дослідження особливостей структури границь в плівках С60 методом електронної мікроскопії високої роздільної здатності (ЕМВРЗ)
Методом електронної мiкроскопiї високої роздiльної здатностi (ЕМВРЗ) у суцiльних плiвках фулериту C60 встановлено iснування двох типiв границь мiж кристалiтами. По-перше, це практично iдеальнi когерентнi границi мiж двiйниками. По-друге, некогерентнi границi, що iнiцiюють утворення множинних дефектi...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Доповіді НАН України |
|---|---|
| Дата: | 2010 |
| Автори: | , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Українська |
| Опубліковано: |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
2010
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/29833 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Дослідження особливостей структури границь в плівках С60 методом електронної мікроскопії високої роздільної здатності (ЕМВРЗ) / Ю.М. Солонiн, К.О. Грайворонська // Доп. НАН України. — 2010. — № 6. — С. 97-102. — Бібліогр.: 4 назв. — укр. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860031359308791808 |
|---|---|
| author | Солонін, Ю.М. Грайворонська, К.О. |
| author_facet | Солонін, Ю.М. Грайворонська, К.О. |
| citation_txt | Дослідження особливостей структури границь в плівках С60 методом електронної мікроскопії високої роздільної здатності (ЕМВРЗ) / Ю.М. Солонiн, К.О. Грайворонська // Доп. НАН України. — 2010. — № 6. — С. 97-102. — Бібліогр.: 4 назв. — укр. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Доповіді НАН України |
| description | Методом електронної мiкроскопiї високої роздiльної здатностi (ЕМВРЗ) у суцiльних плiвках фулериту C60 встановлено iснування двох типiв границь мiж кристалiтами. По-перше, це практично iдеальнi когерентнi границi мiж двiйниками. По-друге, некогерентнi границi, що iнiцiюють утворення множинних дефектiв пакування в одному iз прилеглих зерен.
By means of high resolution electron microscopy (HREM), two types of crystallite boundaries are found in fullerite C60 thin films: practically ideal coherent boundaries between twins and incoherent boundaries initiating the formation of multiple stacking faults in one of the adjacent grains.
|
| first_indexed | 2025-12-07T16:52:18Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 539.25:620.187
© 2010
Член-кореспондент НАН України Ю. М. Солонiн,
К.О. Грайворонська
Дослiдження особливостей структури границь в плiвках
С60 методом електронної мiкроскопiї високої роздiльної
здатностi (ЕМВРЗ)
Методом електронної мiкроскопiї високої роздiльної здатностi (ЕМВРЗ) у суцiльних
плiвках фулериту C60 встановлено iснування двох типiв границь мiж кристалiтами.
По-перше, це практично iдеальнi когерентнi границi мiж двiйниками. По-друге, некоге-
рентнi границi, що iнiцiюють утворення множинних дефектiв пакування в одному iз
прилеглих зерен.
Вiдомо, що в щiльно упакованих структурах, таких як ГЦК або ГЩУ, вiдстанi мiж атомами,
в нашому випадку — молекулами, не змiнюються при змiнi послiдовностi пакування. Звiдси
i рiзниця вiльних енергiй, якими характеризуються фази з рiзною послiдовнiстю площин
{111}, залежить вiд орiєнтацiйного фактора, тобто вiд змiни симетрiї оточення молекул.
Виходячи iз цього, для оцiнки енергiї дефектiв пакування в структурi фулериту можна
використати значення енергетичної щiлини мiж станами з рiзними напрямками, навколо
яких переважно вiдбувається обертання молекул фулерену. З використанням лiтературних
даних [1], а також використовуючи пiдхiд, описаний в [2], ми зробили оцiнку енергiї дефектiв
пакування в кристалi фулериту, яка становить γ ≈ 2 · 10−3 Дж/м2.
Таке низьке значення енергiї дефектiв пакування i зумовлює особливостi структури
тонкої плiвки фулериту. В процесi росту плiвки iз газової фази iснує велика ймовiрнiсть
виникнення порушень правильної послiдовностi площин типу {111}, що в свою чергу при-
водить до утворення в кристалi значної кiлькостi як двiйникiв, так i спiвiснуючих з ними
дефектiв пакування.
Для дослiдження дефектiв, що утворюються в тонких плiвках фулериту С60 пiд час
їх росту, було використано електронну мiкроскопiю високої роздiльної здатностi (ЕМВРЗ).
На рис. 1, а наведена мiкрофотографiя з частково розорiєнтованими або здвiйниковани-
ми блоками, якi роздiленi багатошаровими границями, що при бiльш детальному розглядi
виявляються пакетами з послiдовно розташованими дефектами пакування.
До дефектiв росту також може бути вiднесено дуже цiкаве явище, яке часто зустрiча-
ється в структурi плiвок фулериту, вирощених iз газової фази. Це двiйникова структура
з вiссю симетрiї п’ятого порядку (рис. 1, б, в), яка збiгається з вiссю зони типу {110}.
П’ять структурних блокiв, якi є двiйниками один вiдносно одного, сходяться в однiй точ-
цi, утворюючи характерну зiрку iз п’ятьма кiнцями. Чотири двiйниковi границi є iдеально
когерентними i бездефектними, п’ята — частково розупорядкована. Причина цього розупо-
рядкування буде з’ясована нижче. Пiдтвердженням симетрiї п’ятого порядку, характерної
для цiєї двiйникової структури, є картина Фур’є-перетворення зображення структури, що
є аналогом електронної мiкродифракцiї (рис. 1, в).
У даному випадку ми бачимо “рефлекси” вiд п’яти рiзних двiйникових орiєнтацiй ГЦК
структури фулериту.
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2010, №6 97
Рис. 1. Спiвiснування в структурi тонкої плiвки фулериту здвiйникованих блокiв i дефектiв пакування
(а); двiйникова структура iз вiссю симетрiї п’ятого порядку (б ); результат Фур’є-перетворення зображення
двiйникової структури (в)
Повернемося до питання про когерентнiсть та часткову розупорядкованiсть двiйнико-
вих границь у структурi, що розглядається. Двiйникування в ГЦК структурi рiвнозначно
повороту частини кристала навколо одного iз напрямкiв типу {110} на кут, який приблизно
дорiвнює 70,6◦. При утвореннi п’яти двiйникiв сумарний кут повороту становитиме 353◦,
тобто трохи менше 360◦. Зрозумiло, при цьму одна iз двiйникових границь не може бу-
ти повнiстю когерентною, тому що вона повинна також компенсувати додатковий поворот
мiж здвiйникованими частинами кристала на 7◦.
Розглянемо бiльш детально розташування молекул поблизу точки перетину (рис. 2, а, б ).
Видно, що спрямована вгору двiйникова границя є когерентною лише зовсiм близько до
точки перетину. Далi спостерiгається гранична дислокацiя, а за нею границя стає iстотно
98 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2010, №6
Рис. 2. Високороздiльна мiкрофотографiя розташування молекул фулерену поблизу точки перетину (а), її
графiчна репродукцiя (б ) та схема (в)
невпорядкованою. Дiйсно, спочатку змiщення молекул, викликане iснуванням неузгодже-
ностi в 7◦, буде незначним. Але далi при збiльшеннi розкриття кута цi змiщення стають все
бiльшими i зумовлюють повне розупорядкування границi. Важливо також вiдзначити, що
лiвий двiйниковий кристалiт в областi бiля центра зберiгає правильну структуру. Але вже
пiсля граничної дислокацiї i в областi, що межує з “неправильною” границею, кристалiт
стає розупорядкованим, вмiщуючи значну кiлькiсть дефектiв пакування.
Вiдомо [3], що енергiя границi, зокрема границi нахилу, досить швидко зростає при
зростаннi кута розорiєнтацiї Θ мiж зернами, досягаючи при повному Θm максимальної ве-
личини, котра далi вже майже не залежить вiд Θ. Винятком є тi кути, якi вiдповiдають
спецiальним границям, наприклад, Θс= 70,6◦ для двiйникової границi в ГЦК кристалi. При
вiдхиленнi границi вiд iдеально двiйникової (вiдхилення кута Θ вiд 70,6◦) також спостерi-
гається швидке зростання її енергiї. При незначних вiдхиленнях Θ вiд нуля або вiд Θс роз-
орiєнтацiя може компенсуватися за рахунок граничних дислокацiй, вiдстань мiж якими l
вiдповiдає формулi Θ ≈ b/l.
Розглянемо ситуацiю, зображену на рис. 2, б. Для двох верхнiх зерен взаємна орiєнта-
цiя вiдхиляється вiд iдеальної двiйникової на 7◦. Для повної дислокацiї в ГЦК фулеритi
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2010, №6 99
Рис. 3. Пряме зображення структури фулериту, що включає границю та дефекти пакування (а) i її графiчна
реконструкцiя (б )
b1 = a/2〈110〉 = 1,008 нм, а для часткової дислокацiї Шоклi b2 = a/6〈121〉 = 0,58 нм.
В першому випадку l1 = b1 · Θ = 8,26 нм (близько 10-ти вiдстаней d111), в другому випад-
ку l2 = b2 · Θ = 4,75 нм (близько 6-ти вiдстаней d111). В нашому випадку (див. рис. 2, б )
границя мiж верхнiми двiйниками зберiгає iдеальну когерентнiсть саме в межах 6-ти вiдста-
ней d111 фулериту. Далi з’являється гранична дислокацiя, а вже за нею (вище) спостерiгає-
ться розупорядкована субграниця. Таким чином, можна вважати, що семiградусна границя
нахилу мiж двiйниками в ГЦК фулеритi утворена частковими дислокацiями Шоклi. Тим
бiльше, що згiдно з рис. 2 (а, б, в), вище першої дислокацiї, тобто на вiдстанi бiльше 6d111
вiд центра, субграниця розщеплюється з утворенням низки дефектiв пакування у лiвому
кристалiтi.
Взагалi явище, коли некогерентна границя стає причиною утворення дефектiв пакуван-
ня в одному iз зерен, що з нею межують, є дуже характерним для структури тонких плiвок
фулериту. Пояснити це можна таким чином. Некогерентна, або невпорядкована, границя
може розглядатися такою, що мiстить певну кiлькiсть граничних дислокацiй. Зниження їх
пружної енергiї призведе до зниження енергiї границi в цiлому. Зниження енергiї повних
дислокацiй, в свою чергу, можливе за рахунок розщеплення на частковi, з’єднанi дефектом
пакування. При дуже низькiй енергiї дефект пакування фулериту розщеплення, а разом
з ним дефект пакування будуть проходити майже через все зерно.
Оцiнимо рiвноважну вiдстань, на яку розщеплюватимуться повнi дислокацiї в криста-
лi фулериту. Виберемо найбiльш характерну реакцiю розщеплення для ГЦК структури
повної дислокацiї на двi частковi дислокацiї Шоклi: a/2[110] → a/6[121] + a/6[211]. Для
такої реакцiї рiвноважна вiдстань, на яку розходяться частковi дислокацiї, становитиме:
dрiвн = Gb1b2/2πKγ, де G — модуль зсуву; b1, b2 — вектори Бюргерса часткових дислока-
цiй; K — пружна константа; γ — енергiя дефекту пакування. Використовуючи розраховане
вище значення γ ≈ 2 · 10−3 Дж/м2, а також лiтературнi данi щодо G, який дорiвнює 3,75
ГПа [4], для dрiвн отримуємо значення 100 нм. Таким чином, в наноструктурованому кри-
сталi або тонкiй плiвцi дефекти пакування будуть проходити через все зерно, утворюючи
структури, подiбнi до полiтипних структур. На рис. 3 наведений приклад такої структури.
Ми бачимо, що з одного боку опуклої границi зерно фулериту пронизують численнi де-
фекти пакування. В той же час зерно, розташоване знизу вiд границi, зберiгає правильну
ГЦК структуру.
Такий характер релаксацiї границь в структурi кристалiв фулериту, коли розщеплення
дислокацiй або розповсюдження дефектiв пакування вiдбувається виключно в напрямку ли-
100 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2010, №6
Рис. 4. Пряме зображення бездефектного зерна (1 ) та зерна з дефектами пакування (2 ), роздiлених опуклою
границею (а), Фур’є-перетворення зображень зерен з дефектами (б ) та без дефектiв (в)
ше одного iз прилеглих до границi зерен, вимагає бiльш детального аналiзу пружних полiв,
пов’язаних iз границею, i механiзму їх релаксацiї внаслiдок утворення дефектiв пакуван-
ня. Припущення, що дефекти пакування виникають в напрямку якогось визначеного знаку
кривини границi, не узгоджується з експериментальними даними. Якщо на рис. 3 дефекти
пакування розташованi в напрямку позитивної кривини границi, то на рис. 4 спостерiгається
обернена картина. Дефекти пакування розташованi в зернi з боку вiд’ємної кривини границi
зерна. Бездефектнiсть верхнього зерна пiдтверджується картиною вiдповiдного Фур’є-пере-
творення, на якому спостерiгаються чiткi поодинокi “рефлекси”, що вiдповiдають площинам
типу {111}. В той час як на картинi Фур’є-перетворення вiд дефектного зерна ми бачимо
характернi тяжi, орiєнтованi перпендикулярно площинам, по яких утворюються дефекти
пакування. Подiбнi тяжi завжди спостерiгаються на картинах електронної мiкродифракцiї
вiд кристалiв, що вмiщують значну кiлькiсть дефектiв пакування.
Повернемося знову до обговорення причини, чому завжди спостерiгається утворення
дефектiв пакування лише в одному iз кристалiтiв, прилеглих до некогерентної границi.
Скорiше за все, це пов’язано з вiд’ємною енергiєю взаємодiї мiж дефектами пакування
в кристалi фулериту. В такому випадку дефекту вигiднiше утворюватися на дiлянцi крис-
тала, де вже є iншi подiбнi дефекти, а не в межах бездефектного кристалiту. Фактично це
свiдчить про дуже високу зсувну нестабiльнiсть кристала фулериту, що зумовлена низькою
енергiєю дефектiв пакування.
Таким чином, в плiвках фулериту С60 спостерiгаються два типи границь. По-перше, це
практично iдеально когерентнi границi мiж зернами, що знаходяться у двiйниковiй орiєн-
тацiї одне вiдносно одного. По-друге, некогерентнi розупорядкованi границi мiж довiльно
орiєнтованими зернами. Останнi границi обов’язково релаксують (розщеплюються) з утво-
ренням множинних дефектiв пакування виключно лише в одному iз зерен, прилеглих до
границi. Зерно, розташоване по iнший бiк границi, зберiгає неспотворену ГЦК структуру.
1. Аврамов П.В., Овчинников С. Г. Квантово-химическое и молекулярно-динамическое моделирова-
ние. – Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2000. – 169 с.
2. Скороход В.В., Солонин Ю.М. Дефекты упаковки в переходных металлах. – Киев: Наук. думка,
1976. – 176 с.
3. Фридель Ж. Дислокации. – Москва: Мир, 1967. – 644 с.
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2010, №6 101
4. Кобелев Н.П., Моравский А.П., Сойфер Я.М. и др. Упругие и диссипативные свойства фуллерита //
Физика тв. тела. – 1994. – 36, № 9. – С. 2732–2737.
Надiйшло до редакцiї 20.10.2009Iнститут проблем матерiалознавства
iм. I.М. Францевича НАН України, Київ
Corresponding Member of the NAS of Ukraine Yu.M. Solonin, K.O. Graivorons’ka
The investigation of peculiarities of structure of boundaries in С60 films
by high resolution electron microscopy (HREM)
By means of high resolution electron microscopy (HREM), two types of crystallite boundaries are
found in fullerite C60 thin films: practically ideal coherent boundaries between twins and incoherent
boundaries initiating the formation of multiple stacking faults in one of the adjacent grains.
102 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2010, №6
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-29833 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1025-6415 |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2025-12-07T16:52:18Z |
| publishDate | 2010 |
| publisher | Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Солонін, Ю.М. Грайворонська, К.О. 2012-01-06T10:52:39Z 2012-01-06T10:52:39Z 2010 Дослідження особливостей структури границь в плівках С60 методом електронної мікроскопії високої роздільної здатності (ЕМВРЗ) / Ю.М. Солонiн, К.О. Грайворонська // Доп. НАН України. — 2010. — № 6. — С. 97-102. — Бібліогр.: 4 назв. — укр. 1025-6415 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/29833 539.25:620.187 Методом електронної мiкроскопiї високої роздiльної здатностi (ЕМВРЗ) у суцiльних плiвках фулериту C60 встановлено iснування двох типiв границь мiж кристалiтами. По-перше, це практично iдеальнi когерентнi границi мiж двiйниками. По-друге, некогерентнi границi, що iнiцiюють утворення множинних дефектiв пакування в одному iз прилеглих зерен. By means of high resolution electron microscopy (HREM), two types of crystallite boundaries are found in fullerite C60 thin films: practically ideal coherent boundaries between twins and incoherent boundaries initiating the formation of multiple stacking faults in one of the adjacent grains. uk Видавничий дім "Академперіодика" НАН України Доповіді НАН України Матеріалознавство Дослідження особливостей структури границь в плівках С60 методом електронної мікроскопії високої роздільної здатності (ЕМВРЗ) The investigation of peculiarities of structure of boundaries in С60 films by high resolution electron microscopy (HREM) Article published earlier |
| spellingShingle | Дослідження особливостей структури границь в плівках С60 методом електронної мікроскопії високої роздільної здатності (ЕМВРЗ) Солонін, Ю.М. Грайворонська, К.О. Матеріалознавство |
| title | Дослідження особливостей структури границь в плівках С60 методом електронної мікроскопії високої роздільної здатності (ЕМВРЗ) |
| title_alt | The investigation of peculiarities of structure of boundaries in С60 films by high resolution electron microscopy (HREM) |
| title_full | Дослідження особливостей структури границь в плівках С60 методом електронної мікроскопії високої роздільної здатності (ЕМВРЗ) |
| title_fullStr | Дослідження особливостей структури границь в плівках С60 методом електронної мікроскопії високої роздільної здатності (ЕМВРЗ) |
| title_full_unstemmed | Дослідження особливостей структури границь в плівках С60 методом електронної мікроскопії високої роздільної здатності (ЕМВРЗ) |
| title_short | Дослідження особливостей структури границь в плівках С60 методом електронної мікроскопії високої роздільної здатності (ЕМВРЗ) |
| title_sort | дослідження особливостей структури границь в плівках с60 методом електронної мікроскопії високої роздільної здатності (емврз) |
| topic | Матеріалознавство |
| topic_facet | Матеріалознавство |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/29833 |
| work_keys_str_mv | AT solonínûm doslídžennâosoblivosteistrukturigranicʹvplívkahs60metodomelektronnoímíkroskopíívisokoírozdílʹnoízdatnostíemvrz AT graivoronsʹkako doslídžennâosoblivosteistrukturigranicʹvplívkahs60metodomelektronnoímíkroskopíívisokoírozdílʹnoízdatnostíemvrz AT solonínûm theinvestigationofpeculiaritiesofstructureofboundariesins60filmsbyhighresolutionelectronmicroscopyhrem AT graivoronsʹkako theinvestigationofpeculiaritiesofstructureofboundariesins60filmsbyhighresolutionelectronmicroscopyhrem |