적층 단층

결정학에서 적층 단층은 결정 물질에서 발생할 수 있는 평면 결함을 말한다.^[1][2] 결정체는 원자 층의 반복 패턴을 형성한다. 오류는 이러한 계층의 순서에 따라 발생할 수 있으며 쌓기 결함으로 알려져 있다. 적층고장은 적층고장 에너지라고 불리는 단위 면적당 엔탈피 형성에 의해 정량화되는 더 높은 에너지 상태에 있다. 쌓기 결함은 수정 성장 중 또는 소성 변형에서 발생할 수 있다. 또한 낮은 적층-고장 에너지 물질의 탈구는 일반적으로 확장된 탈구로 분리되는데, 이는 부분 탈구로 둘러싸인 적층 단층이다.

결함을 쌓는 가장 일반적인 예는 촘촘하게 포장된 결정 구조에서 찾을 수 있다. 얼굴 중심의 입방체(fcc) 구조는 쌓기 순서로만 육각형 근접 포장(hcp) 구조와 다르다. 두 구조물은 대칭이 6배인 밀접하게 포장된 원자면을 가지고 있다. 원자는 정삼각형을 이룬다. 이 층들 중 하나를 다른 층 위에 쌓을 때, 원자들은 서로 바로 위에 있지 않다. 처음 두 계층은 hcp와 fccf에 대해 동일하며 AB라고 라벨이 붙었다. 만약 세 번째 층이 그것의 원자들이 첫 번째 층의 그것들 바로 위에 있도록 배치된다면, 쌓이는 것은 ABA가 될 것이다 - 이것은 hcp 구조이고, 그것은 ABABAB를 계속한다. 그러나 세 번째 층에는 원자가 첫 번째 층 위에 있지 않은 것과 같은 또 다른 가능한 위치가 있다. 대신 첫 번째 층 바로 위에 있는 것은 네 번째 층의 원자들이다. 이것은 입방 결정 구조의 [111] 방향에 있는 ABCABCABCABC를 쌓는다. 이 맥락에서 쌓기 결함은 촘촘하게 포장된 쌓기 시퀀스 중 하나에서 다른 하나로의 국부적 편차다. 일반적으로 적층 순서에서 1-2층 또는 3층 방해만 적층 결함이라고 한다. FCC 구조의 예로는 ABCABABCAB 시퀀스가 있다.

FCC 결정의 적층 결함 형성

적층고장은 결정재에서 발생할 수 있는 2차원 평면결함이다. 그것들은 수정 성장 중에 형성될 수 있고, 완전한 탈구의 결과로 부분 탈구가 움직이거나, 고율의 플라스틱 변형 시 점 결함의 응축에 의해 형성될 수 있다.^[3] 적층 단층의 시작과 끝은 부분 가장자리 이탈과 같은 부분 라인 이탈로 표시된다. 선 이탈은 가장 가까운 포장된 방향에서 가장 가까운 포장된 평면에서 발생하는 경향이 있다. FCC 결정의 경우 가장 가까운 포장면은 글라이드 평면이 되는 (111) 평면이며, 가장 가까운 포장 방향은 [110] 방향이다. 따라서 FCC의 완벽한 라인 이탈에는 버거 벡터 ½<110>이 있는데, 이는 변환 벡터다.^[4]

선 결함의 에너지가 버거 벡터 크기의 제곱에 비례하기 때문에 두 개의 부분 탈구로 분할하는 것이 유리하다. 예를 들어, 가장자리 탈구는 버거의 벡터가 1/6<112>^[4]인 두 개의 쇼클리 부분 탈구로 분할될 수 있다. 이 방향은 더 이상 가장 가까운 포장 방향이 아니며, 완벽한 탈구를 완성하기 위해 두 버거의 벡터가 서로에 대해 60도에 있기 때문에 두 부분 탈구는 서로를 밀어낸다. 이 거부감은 각 부분 탈구 주변의 스트레스 장이 다른 쪽에 영향을 미치는 결과물이다. 반발력은 전단계, 버거 벡터, 포아송 비율, 탈구간 거리 등의 요인에 따라 달라진다.^[4]

부분 탈구가 역류하면서 그 사이에 쌓이는 단층이 생긴다. 결함을 결함으로 쌓는 성질상 완벽한 결정의 그것보다 더 높은 에너지를 가지고 있기 때문에 다시 부분 탈구를 함께 끌어당기는 작용을 한다. 이 매력적인 힘이 위에서 설명한 반발력의 균형을 맞출 때, 결함은 평형 상태에 있다.^[4]

적층 단층 에너지는 다음과^[4] 같은 방법으로 탈구 폭에서 결정할 수 있다.

${\displaystyle SFE={G{\boldsymbol {b}_{1}\cdot {\b}}{2} \over 2\pi d}={Gb^{2} \pi d}}}}}}}}}}}}\pi d}}}}}}}}}}\이상 \cd}$

여기서 ${\displaystyle {\mathrm{}}_{}}$ 1 ${\$및$$ ${\displaystyle {\mathrm{}}_{}}$ 2 ${\$ 버거 벡터$$, $b{\displaystyle }$ ${\displaystyle b}$은(는) 분리된 부분 탈구의 벡터 크기, $G{\displaystyle }$ ${\displaystystyle$ G$}$은 전단계수, $d는 {\d}$ 사이의 거리 부분 탈구

쌓는 결함은 버거의 벡터가 1/3<111>^[4]인 프랭크 부분 탈구에 의해서도 발생할 수 있다. Frank 부분 탈구로 인한 쌓기 결함은 내성과 외성의 두 종류가 있다. 공실 응고로 인해 본질적인 적층 결함이 형성되고 시퀀스 ABCA_가 있는 누락된 평면이 있다.BA_BCA, 여기서 BA는 쌓기 결함이다.^[5] 외적 쌓기 결함은 ABCA_B 시퀀스를 가진 여분의 평면이 있는 중간 응고로부터 형성된다.AC_ABCA.^[5]

전자현미경을 이용한 적층고장 시각화

적층 단층은 전자현미경을 이용해 시각화할 수 있다.^[6] 일반적으로 사용되는 한 가지 기술은 전송 전자 현미경이다. 다른 하나는 전자현미경(SEM) 스캐닝에서 전자 채널링 콘트라스트 영상(ECI)이다.

SEM에서 백스케이프된 전자 수율은 결정체가 변형된 결함 부위에 따라 다르며, 이는 이미지에서 다른 대비를 야기하기 때문에 지표면에 가까운 결함을 식별할 수 있다. 적층 단층을 식별하기 위해서는 결점이 없는 영역이 백스케이티드 전자를 거의 감지하지 못해 어둡게 보이도록 행렬의 특정 격자 평면에 대한 정확한 Bragg 조건을 인식하는 것이 중요하다. 한편, 적층 단층이 있는 지역은 Bragg 조건을 만족시키지 못하여 많은 양의 백스크래트 전자를 산출하여 영상에 밝게 나타난다. 대비를 뒤집으면 밝은 매트릭스 중간에 적층 결함이 어두운 것으로 나타나는 이미지를 얻을 수 있다.^[7]

TEM에서 밝은 필드 이미징은 적층 결함의 위치를 식별하는 데 사용되는 기술 중 하나이다. 적층 단층의 전형적인 이미지는 저각의 곡물 경계 부근에 밝은 프링으로 어둡고 적층 단층 단층 끝의 이탈로 샌드위치된다. Fringes는 적층 단층이 보기 평면에 대해 경사면에 있음을 나타낸다.^[3]

반도체 적층 결함

많은 복합 반도체(예: 그룹 III와 V 또는 주기율표의 그룹 II와 VI의 요소를 결합한 반도체)는 FCC 아연블렌드 또는 hcp 우르츠사이트 결정 구조에서 결정된다. 반도체 결정에서 주어진 물질의 FCC와 hcp 단계는 대개 다른 대역 갭 에너지를 갖는다. 그 결과 적층 단층의 결정 단계가 주변 위상보다 대역 간격이 낮을 때 양자 우물을 형성하게 되는데,^[8] 광 발광 실험에서는 벌크 결정보다 낮은 에너지(긴 파장)에서의 빛 방출로 이어진다.^[9] 그 반대의 경우(쌓기 단층에서의 대역 간극이 더 높은 경우), 결정의 대역 구조에서 현재의 반도체 소자의 전송에 영향을 미칠 수 있는 에너지 장벽을 구성한다.

참조