逆位相ドメイン

反位相ドメイン( APD) は、結晶の領域内の原子が完全な格子系とは逆の順序で配置されている、平面結晶欠陥の一種です。APD 全体にわたって、原子は、通常、異なる種の原子が占めるサイトに位置します。たとえば、規則的な AB 合金では、通常、B 原子が占めるサイトを A 原子が占めると、反位相欠陥と呼ばれる結晶点欠陥の一種が形成されます。結晶の領域全体を移動して、原子平面の領域内のすべての原子が反位相に位置するようにすると、反位相ドメインが形成されます。言い換えると、APD は、親格子の反位相欠陥から形成される領域です。このドメインのどちら側でも、格子は完全であり、ドメインの境界は反位相境界と呼ばれます。^[1]重要なのは、逆位相境界の両側にある結晶は、反射（結晶双子）や反転（反転領域）ではなく、並進によって関連しているということです。

これらの平面欠陥は、多くの場合、原子面の滑りや転位運動によって生成されるという点でスタッキングフォールトに似ていますが、並進の程度は異なります。スタッキングフォールトでは、スタッキングミスマッチの領域は2つの部分転位によって境界が定められ、拡張された転位が形成されます。化学的無秩序のみを示す逆位相ドメインの場合、領域はスタッキングと化学的無秩序の両方を示す2つの複雑なスタッキングフォールトによって境界が定められます。^[1]したがって、結晶の秩序を完全に回復するには4つの部分転位が必要です。これらは、以下の図1と図2に示されています。これらの領域の幅は、同じ符号の部分転位の反発と領域の表面エネルギーの間の力のバランスによって決まります。逆位相境界の表面エネルギーが増加すると、それを補うために部分転位間の分離度が減少します。

図 1: この図は、逆位相境界を示すことが多い二元合金である Ni3Al 結晶の 2 つの原子層を示しています。視覚化のため、下層の原子は上層よりも大きく示されていますが、実際はそうではありません。上層の移動は、小さな矢印 1 と 2 で示される 2 つのステップに分解できます。(b) 短いベクトル 1 による上層の部分的な滑りにより、複雑な積層欠陥が形成されます。(c) 単位格子移動 (1+2) によって与えられる移動量で上層が完全に滑り、逆位相境界が形成されます。上面が 2 つの完全な格子間隔 (1、2、3、4) だけ滑ると、超転位が形成されます。これは、完全な結晶構造を復元するために必要です。2 つの完全な格子移動で構成されるこの超転位は、両側に 2 つずつ、4 つの異なる部分転位に分解されると予想されます。^[2]

図2: 4つの部分転位（1、2、3、4）によって形成された逆位相境界。複雑な積層欠陥に囲まれています。これらの陰影の付いた領域以外では、結晶は完全です。^[1]

転位と整列析出物の相互作用によってもたらされる秩序強化は、転位が結晶全体を移動するにつれて逆位相境界を形成し、強度とクリープ抵抗の大幅な増加につながる可能性があります。このため、秩序強化は、タービンブレードに使用される高温クリープ耐性超合金によく利用されています。^[2]

反位相ドメインは、化学的無秩序性のために、完全な格子と比較すると表面エネルギーのペナルティを伴い、これらの境界の存在は結晶全体の転位運動を妨げ、せん断応力下での強度の増加につながります。下の図3は、刃状転位が秩序だった粒子を伝播するプロセスを示しています。転位が粒子全体を移動すると、格子面は平衡構成から変位し、AA結合とBB結合が滑り面全体に形成されます。これにより、平衡AB結合構成と比較した場合よりも高いエネルギー状態が形成され、エネルギーの変化は反位相境界エネルギー（APBE）と呼ばれます。これにより、析出硬化から生じる強化の程度が高まり、切断が発生しにくくなり、代わりに析出物の周りのオロワン湾曲の可能性が高まります。^[1]

図3: 刃状転位が整列した析出物中を移動するプロセス。(a) は完全に整列した粒子を示しています。(b) は転位が粒子の一部を移動したことを示しています。(c) では、転位が析出物から抜け出し、表面積の増加による表面エネルギーの増加と、よりエネルギーの高い結合構成をもたらします。^[1]

秩序強化は、引力反位相境界エネルギー (APBE) と反発転位エネルギー (Gb) の比によって特徴付けられることが多い: 。 秩序強化の程度は、この比率と、合金が析出の初期段階にあるか後期段階にあるかによって決まります。が低い場合、後続転位は先行転位よりはるかに後ろに移動し、図 4a に示すように析出物の個別切断につながります。一方、 が高い場合、後続転位は先行転位のすぐ後ろに移動し、図 4b に示すように共通切断につながります。析出の初期段階では、せん断応力の増加は次のように表すことができます。 ${\displaystyle \epsilon _{ord}={\frac {APBE}{Gb}}}$${\displaystyle \epsilon_{ord}}$${\displaystyle \epsilon_{ord}}$

${\displaystyle \tau _{ord}\approx 0.7G(\epsilon _{ord})^{3/2}({\frac {fr}{b}})^{1/2}}$低いまたは ${\displaystyle \epsilon_{ord}}$

${\displaystyle \tau _{ord}\approx 0.7G[(\epsilon _{ord})^{3/2}({\frac {fr}{b}})^{1/2}-0.7\epsilon _{ord}f]}$ここで、G はせん断弾性率、f は析出物の体積分率、r は析出物の半径、b は転位のバーガース ベクトルです。 ${\displaystyle \epsilon_{ord}}$

降水の後期段階では、類似の表現は次のようになります。

${\displaystyle \tau_{ord}\approx 0.44G(\epsilon_{ord})f^{1/2}}$低いまたは ${\displaystyle \epsilon_{ord}}$

${\displaystyle \tau_{ord}\approx 0.44G(\epsilon_{ord})[f^{1/2}-0.92f]}$高い。^[1]${\displaystyle \epsilon_{ord}}$

図4: 析出物周囲の転位運動。^[1]

反転ドメインと逆位相ドメインの混同は、公開された文献でも一般的であり、特にシリコン上に成長した GaAs の場合によく見られます。(同様の欠陥がシリコン上の GaN でも発生しますが、これは反転ドメインとして正しく識別されます)。例を下の図に示します。^[3]

図4. GaAs-Siにおける反転ドメイン（誤って反位相ドメインと呼ばれる）を示す強調表示された領域。^[4]

網掛けの領域 B は APD の例です。図では、GaAs が Si の配向不良表面上に成長しています (詳細はここでは説明しません)。配向不良により、領域 B の Ga 原子と As 原子は結晶マトリックスに対して反対のサイトにあります。APD が存在すると、Ga サイト 1、1'、2、2'、3、3' が APD 内の Ga 原子と結合して APB が形成されます。

磁鉄鉱のような混合酸化状態物質では、原子の位置に変化がなくても、電荷秩序の結果として反位相ドメインと反位相ドメイン境界が発生する可能性があります。 ^[4]たとえば、再構成された磁鉄鉱 (100) 表面には、最初の表面下層にFe ^II対と Fe ^III対が交互に含まれています。[4] 2 つのテラスが一緒に成長するときに2 つの表面下の Fe ^II対が出会うと、反位相ドメイン境界が形成される可能性があります。[ ^{4 ]}