4.6.5 Повреждения в металлах
Основными повреждения пучком в металлах являются смещения атомов/ распыление. Этот процесс происходит путем прямой передачи энергии пучка атомам в твердом теле, выбив их из атомных позиций и создание комбинации вакансия и внедренный атом (пара Френкеля). Для того, чтобы сместить атом из своей позиции в кристаллической решетке, пучок электронов должен проникнуть близко к ядру атома и быть остановлен его кулоновским притяжением, таким образом, большая часть энергии пучка передается атому.
Как сильно атомы связаны с их соседями также будет влиять на их смешение. Простое выражение для энергии смещения Ed позволяет определить пороговую энергию (Et) для смещения атомов с атомным весом А:
(4.9)где Et в МэВ и Ed в эВ. Ed обычно находится в диапазоне от 5 до 50 эВ, и зависит от типа связи.
Если вы можете передать энергии больше, чем пороговая энергия смещения атома, то вы будете вытеснять атом из своего места в решетке. Эта концепция приведена на рисунке 4.12. Так, например, при 400 кэВ, более 80 эВ может быть передано атому углерода, около 45 эВ может быть передано атому алюминия, и около 25 эВ для атома Ti. Если мы предположим, что средняя энергия смещения равна 25 эВ, то вполне очевидно, что при использовании 400 кВ напряжение в ПЭМ, энергии достаточно для смещения любых атомов с атомным весом ниже Ti (если этого не происходит, то это связано с тем, что Ed гораздо больше, чем типичное значение, показанное на рисунке 4.12). При работе на ВВЭМ энергией пучка 1 МэВ или более, практически во всех материалах неизменно будут возникать смещения атомов, исключение составляют разве что самые тяжелые элементы. Единственный способ избежать повреждений смещений атомов, работать ниже пороговой энергии смещения, и вы должны определить эту энергию экспериментально с учетом весьма приблизительного характера рисунка 4.12. Единственно верный путь для определения повреждений смещения атомов, это запись изображений одного и того же района до и после облучения и сравнение контраста при тех же условиях. Прямые смещения атомов часто проявляется в виде небольших кластеров вакансий, которые появляются как черно-белые контрастные пузыри или точки, как было показано на рисунке 1.8. Иногда повреждения проявляются в виде дислокационных петель и дефектов упаковки, вызванных скоплением вакансий. Такие дефекты, разумеется, можно легко спутать с дефектами, присущими материалу, а не внесенными при исследовании материала в ПЭМ.
Смещения атомов также могут наблюдаться в полимерах и минералах. Проблема здесь заключается в том, что для минимизации тепловых эффектов и радиолиза было предложено работать при как можно более высоких напряжениях, однако, в этом случае возможны повреждения смещения атомов. Таким образом, в зависимости от исследуемого материала, на самом деле может не существовать способа избежать повреждения образца в той или иной форме.
Пожалуй, единственной светлой стороной повреждений смещения можно назвать то, что мы можем изучать его для собственного блага. Можно утверждать, хотя и не окончательно, что электронно-лучевые повреждения в материалах, могут быть эквивалентны нейтронным повреждениям, происходящим в ядерных реакторах. Общее правило гласит, что воздействие нескольких минут в ВВЭМ эквивалентно с точки зрения повреждений многим годам в ядерном реакторе, и такое ускоренное изучение деградации материалов в реакторе возможно. Так же, вакансии, вызванные смещениями атомов, могут ускорять процессы диффузии, которые, в свою очередь, могут ускорить диффузионные превращения, при изучении «in situ» в ПЭМ. Есть много других проблем, которые могут возникнуть во время наблюдений «in situ», так что их интерпретация не всегда проста.
