5.2. ДВОЙНИКОВАНИЕ

Двойникование - один из способов формоизменения кристалла [24 -26]. Роль двойникования при формировании структуры кристаллов возрастает с усложнением структур кристаллов и ростом параметров трансляции. Двойники - закономерно разориентированные области кристалла, связанные какой-либо операцией симметрии (операция двойникования) [26]. Операция симметрии, связывающая двойники, является их важнейшей характеристикой и определяет название типа двойника. Такими операциями могут быть:

а) отражение в плоскости - двойники отражения;

б) поворот вокруг оси симметрии - аксиальные двойники;

в) трансляция на часть периода решетки - двойники трансляции;

г) отражение в точке - двойники инверсии.

Если двойник разделяется на несколько областей (несколько двойниковых прослоек), то его называют полисинтетическим. Две операции симметрии двойника эквивалентны, если они отличаются на операцию симметрии, входящую в группу симметрии кристалла. Например, в кристалле, имеющем центр инверсии, двойник отражения может быть аксиальным.

Двойники могут возникать:

1) при росте кристаллов в результате срастания закономерно разориентированных областей;

2) при рекристаллизации;

3) при механической деформации;

4) при фазовых превращениях в результате закономерного сопряжения разориентированных фаз.

Поскольку лазерными матрицами являются монокристаллы, двойникование при рекристаллизации в данном случае можно не рассматривать. Двойниковые сростки при достаточно хорошо отработанной технологии выращивания из расплава практически исключены. Двойниковые сростки кристаллов корунда наблюдаются в естественных

кристаллах и могут образовываться при спонтанной кристаллизации расплава или при выращивании из растворов. Такие сростки представляют собой двойники отражения с плоскостью двойникования и разориентацией областей двойника на Наиболее важными для кристаллов рубина, гранатов и алюминатов из перечисленных причин двойникования являются две последние.

Пластическая деформация с помощью двойникования приходит на смену трансляционному скольжению во многих кристаллах при понижении температуры. Чем сложнее кристаллическая структура, чем больше в ней векторы трансляции и векторы Бюргерса полных дислокаций, чем меньше температурный интервал пластичности, тем шире область температур, в которой на смену трансляционному скольжению может приходить двойникование. Образование двойника при деформации под действием механических напряжений можно представить как результат движения частичных дислокаций последовательно в каждой кристаллической плоскости, параллельной плоскости двойникования Движение частичной дислокации в данной кристаллической плоскости производит сдвиг части кристалла, находящейся над этой плоскостью, относительно части кристалла, находящейся под этой плоскостью на долю трансляции равной вектору Бюргерса частичной дислокации (рис. 5.7). Если расстояние между плоскостями, параллельными плоскости двойникования, равно а, то смещение плоскости, отстоящей от плоскости двойникования на расстояние, равное единице, есть -удельный сдвиг.

Геометрические характеристики двойника можно задать, мысленно вырезав в кристалле круг радиусом в плоскости, перпендикулярной и содержащей направление сдвига. В результате

Рис. 5.6. Двойниковый сросток кристаллов корунда Рие. 5.7. Схема механического двойникования: 5 - плоскость двойникования; Т - вектор трансляции; - вектор Бюргерса частичной дислокации

двойникования по плоскости, проходящей через центр этого круга, сечение круга над плоскостью превращается в эллипс (рис. 5.8). На рис. 5.8 видны две точки пересечения эллипса и окружности. Очевидно, что в плоскостях перпендикулярных плоскости круга и проходящих через эти точки, позиции структурных единиц кристалла до и после двойникования совпадают. Одна из этих плоскостей совпадает с плоскостью двойникования и содержит направление сдвига

1 (направление двойникования). Плоскость содержит направление и составляет угол с плоскостью двойникования. Величина этого угла определяется удельным сдвигом Используя геометрические характеристики двойникования и можно разделить двойники на два типа:

1-й тип - двойники отражения. Для этих двойников проходят через узлы решетки Браве (рациональные), а не проходят через узлы решетки Браве (иррациональные);

2-й тип - двойники поворота. Для этих двойников - иррациональные, а - рациональные.

При пластической деформации корунда трансляционное скольжение сменяется двойникованием при и проявляется до очень низких температур . В корунде наблюдаются два основных типа двойников с элементами двойникования:

Двойникование по плоскостям характеризуется меньшим удельным сдвигом и наблюдается при самых низких температурах.

Из-за относительно большого удельного сдвига двойникование по базису наблюдается в ограниченной температурной области.

Сверху эта область лимитируется трансляционным скольжением, снизу - двойникованием по плоскостям Двойники в корунде представляют собой либо области, ограниченные

Рис. 5.8. Эллипсоид двойникования

плоскопараллельными когерентными границами, либо клинья, границы которых некогеренгны, и их можно представить как ряды частичных дислокаций.

Для иттрий-алюминиевого граната двойники не являются характерным дефектом. Поскольку ИАГ имеет кубическую симметрию и его решетку можно представлять как сильно искаженную решетку шпинели, можно полагать, что в ИАГ плоскостью двойникования является плоскость То, что двойникование в гранате не распространено, можно объяснить отсутствием в этих кристаллах частичных дислокаций с малым вектором Бюргерса из-за сильного искажения анионной решетки граната по сравнению с решеткой шпинели. Следует заметить, что существующие в ИАГ (как и в корунде) дефекты упаковки можно представить как полисинтетические двойники толщиной в одно или несколько межплоскостных расстояний.

В алюминате иттрия двойники являются очень распространенным дефектом. Причиной возникновения двойников в ИАП является то, что ИАП имеет ромбическую решетку с небольшой разницей параметров по осям . В процессе кристаллизации и остывания нормальные механические напряжения по осям различных частях кристалла могут иметь разные знаки (рис. 5.9). В той части кристалла, где в результате сжатия по оси X образуется структура с параметрами нм, нм, а в соседней области, где - с параметрами . Таким образом, две соседние области кристалла оказываются развернутыми друг относительно друга на 90°, образуя двойники [27, 28]. Плоскостью когерентного сопряжения (плоскостью двойникования) этих двойников является плоскость Такие двойники наблюдаются визуально, как слабо отражающие зеркальные плоскости. Присутствие двойников резко ухудшает оптическую однородность кристалла и снижает его генерационные свойства. Пересечение двойников приводит к растрескиванию кристалла, поэтому борьба с двойниками является важнейшей технологической задачей. Так как возникновение двойников в ИАП вызвано термическими напряжениями, то уменьшение термических напряжений - важный фактор снижения вероятности двойникования.

Рис. 5.9. Схема двойникования в кристаллах ИАП (S - плоскость двойникования)

В кристаллах ИАП, имеющих орторомбическую симметрию, при радиальном градиенте температур возможны две причины возникновения термических напряжений:

1) радиальные напряжения растяжения (на периферии) и сжатия (в центре), возникающие из-за того, что внешние слои кристалла охлаждаются быстрее, чем внутренние;

2) напряжения, тоже вызванные радиальным градиентом температуры, но связанные с анизотропией радиального градиента термического расширения.

Коэффициенты термического расширения ИАП по осям приблизительно одинаковы, а по оси b коэффициент термического расширения существенно (более, чем в два раза) отличается от Поэтому при выращивании кристалла вдоль направления [001] из-за радиального градиента температуры возникают значительные напряжения, вызванные неравенством При выращивании кристаллов с осью роста (ось ) из-за приблизительного равенства радиальные градиенты температуры вызывают значительно меньшие напряжения, чем при выращивании вдоль оси [001] (ось с). Экспериментально показано [27, 28], что именно те напряжения, которые связаны с анизотропией коэффициента термического расширения, являются основной причиной двойникования в ИАП. Поэтому для устранения двойникования выращивание кристаллов ИАП проводится с осью роста в направлении