堆垛层错

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堆垛层错是层状结构晶格中常见的一种面缺陷,即晶体结构层正常的周期性重复堆垛顺序在某二层间出现了错误。
中文名
堆垛层错
外文名
stacking fault
定    义
层状结构晶格中常见的一种面缺陷
研究代表人
Edward

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堆垛层错概述

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堆垛层错(stacking fault)是广义的层状结构晶格中常见的一种面缺陷。它是晶体结构层正常的周期性重复堆垛顺序在某二层间出现了错误,从而导致的沿该层间平面(称为层错面)两侧附近原子的错误排布。例如在立方紧密堆积(CCP)结构中,其固有的正常堆垛顺序为三层重复的……ABC ABC ABC……,如果局部出现诸如……ABC A\C ABC……或者……ABC AB\A\C ABC……,则在划线处便是堆垛层错的所在。它们在形式上也可看成是由一个完整的晶格沿层错面、其两侧晶格间发生非重复周期平移所导致的结果。[1] 
1942年Edward等人利用X射线在钴中通过面心立方⇌密集六方结构相变首次观察到堆垛层错.堆垛层错的出现使得晶体中正常堆垛顺序遭到了破坏,在局部区域形成了反常顺序的堆垛。不过,它并不影响其他区域的原子层堆垛顺序,界面处两部分晶体仍保持共同的点阵平面,层错的影响仅仅在于层错面两侧的晶体结构间相应于理想情况作了一个特定的非点阵相对平移。在密集结构(面心立方和密集六方)中,这种平移并不改变原子最近邻关系,只产生次近邻的错排,而且几乎不产生畸变,所以层错能较低,主要来源是电子能.除密集结构外,其他类型结构的晶体中也可能出现层错。如金刚石结构闪锌矿结构的{111}面,层状结构的基面等都可能出现层错.体心立方结构中在密排面{110}上出现层错将使原子最近邻的关系产生相应的改变,导致层错能较高,因此一般难以产生层错或者只有很窄的层错带。如同位错位错线和Burgers矢量来表征那样,层错的几何特征可以用层错面和非点阵平移矢量R来表征。[2] 

堆垛层错垛层错能

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正常堆垛顺序为ABCABC…,以Frank记号表之为△△△△ …,若出现反常堆垛,则以▽表示。密堆积结构中堆垛层错有两种基本类型: (a)抽出型层错,相当于正常层序中抽去一层; (b)插入型层错,相当于在正常层序中插进一层。
抽出型层错 抽出型层错
插入型层错 插入型层错
晶体中形成堆垛层错有多种原因。 晶体生长中偶然事故引起的堆垛顺序的错误,晶体形变时原子面间非点阵平移矢量的滑移,空位在密排面聚集成盘而后崩塌和自填隙原子聚集成盘.全位错在密排面内分解而后扩张,都能形成堆垛层错。
具有层错的晶体存在特殊的衍射效应:使X射线粉末照相中一部分的衍射线显著变宽或产生位移。使单晶衍射图样中某些斑点伸长,在透射电子显微镜衍衬法的观察中,层错显示为由等厚干涉条纹组成的带,在高分辨率电子显微镜的结构象中,有时可以直接观察到层错面附近结构的变化。
产生层错的方式有:(1)滑移,如任一层(111)晶面滑移1/6〈112〉,移至其相邻(111)晶面相应的位置上。(2) 密排面上空位盘塌陷或间隙原子在密排面间聚集成盘此时层错上下两侧原来的密排面相对位移1/3〈111〉,在层错周界形成柏格斯矢量为1/3〈111〉的位错环。位错环可进一步吸收(或放出)空位(或间隙原子)而发生攀移,使层错面积和位错环尺寸都发生变化。
面心立方 a.在 (111) 面投影 面心立方 a.在 (111) 面投影
空位盘 (a) 和间隙原子盘(b) 形成层错 空位盘 (a) 和间隙原子盘(b) 形成层错
层错是一种晶格缺陷,它破坏了晶体的周期完整性并引起能量的升高。产生单位面积层错所需能量称为层错能γs(J/m)。层错能有使领先的b1和拖后的b2不全位错之间的距离ds减少的趋势。典型金属的层错能和相应的平衡距离见表。层错能越小的金属出现层错的几率越大。在不锈钢与a黄铜中,可看到大量层错,而在铝和镍中则根本不会出现。一些金属的堆垛层错数据如下表。[3] 
金属
堆垛层错能
γs/J·m-2
不全位错间的
平衡距离ds/
不锈钢
90黄铜
0.020
0.060
0.070
0.200
0.400
0.013
0.035
18.7
5.7
6.8
1.5
2.0
参考资料
词条标签:
自然学科 科技 理学