積層欠陥

結晶学において、積層欠陥は結晶性材料に生じる面欠陥である。 ^{[1] [2]}結晶性材料は原子層の繰り返しパターンを形成する。これらの層の順序にエラーが発生する可能性があり、これを積層欠陥という。積層欠陥は、積層欠陥エネルギーと呼ばれる単位面積あたりの形成エンタルピーによって定量化される高エネルギー状態にある。積層欠陥は、結晶成長中または塑性変形によって生じる可能性がある。さらに、積層欠陥エネルギーが低い材料の転位は通常、部分転位によって境界が定められた積層欠陥である拡張転位に解離する。

スタッキング・フォルトの最も一般的な例は、最密充填結晶構造に見られます。面心立方(fcc) 構造は、六方最密充填(hcp) 構造とスタッキング順序のみが異なります。どちらの構造も、6 回対称の最密充填原子面を持ち、原子は正三角形を形成します。これらの層を別の層の上に積み重ねるとき、原子は互いの上に直接重なることはありません。最初の 2 つの層は、hcp と fcc で同一であり、AB とラベル付けされています。3 番目の層を、その原子が最初の層の原子の真上に配置されて配置される場合、スタッキングは ABA になります。これが hcp 構造であり、ABABABAB と続きます。ただし、3 番目の層の位置がもう 1 つあり、その原子が最初の層の上にない場合があります。代わりに、4 番目の層の原子が最初の層の真上にあります。これにより、スタッキング ABCABC が生成され、立方結晶構造の [111] 方向になります。この文脈では、スタッキング フォルトとは、最密積層シーケンスの 1 つから他の 1 つへの局所的な偏差を指します。通常、スタッキング シーケンス内の 1 層、2 層、または 3 層の中断のみがスタッキング フォルトと呼ばれます。fcc 構造の例は、シーケンス ABCABABCAB です。

積層欠陥は、結晶材料に発生する可能性のある 2 次元の平面欠陥です。積層欠陥は、結晶成長中、完全転位の解離の結果として部分転位が移動する塑性変形中、または高速塑性変形中の点欠陥の凝縮によって形成されます。^[3]積層欠陥の開始と終了は、部分刃状転位などの部分線転位によって示されます。線転位は、最密充填面の最密充填方向で発生する傾向があります。FCC 結晶の場合、最密充填面は (111) 面であり、これがすべり面となり、最密充填方向は [110] 方向です。したがって、FCC の完全線転位は、バーガース ベクトル ½<110> を持ち、これは並進ベクトルです。^[4]

2 つの部分転位への分裂は、線欠陥のエネルギーがバーガーベクトルの大きさの 2 乗に比例するため、好ましい。たとえば、刃状転位は、バーガーベクトルが 1/6<112> である 2 つのショックレー部分転位に分裂する可能性がある。^[4]  この方向は最密方向ではなくなり、2 つのバーガーベクトルは完全な転位を完成するために互いに 60 度をなすため、2 つの部分転位は互いに反発する。この反発は、各部分転位の周囲の応力場が他の部分転位に影響を与える結果である。反発力は、せん断弾性率、バーガーベクトル、ポアソン比、転位間の距離などの要因によって決まる。^[4]

部分転位が反発し合うことで、その間に積層欠陥が形成される。積層欠陥は欠陥であるため、完全な結晶よりも高いエネルギーを持ち、部分転位を再び引き寄せる働きをする。この引力が上記の反発力と釣り合うと、欠陥は平衡状態になる。^[4]

積層欠陥エネルギーは転位解離の幅から^{[4]を用いて決定することができる。}

${\displaystyle SFE={G{\boldsymbol {b}}_{1}\cdot {\boldsymbol {b}}_{2} \over 2\pi d}={Gb^{2} \over 4\pi d}}$

ここで、およびはバーガーベクトル、は解離した部分転位のベクトルの大きさ、はせん断弾性係数、および部分転位間の距離 です。${\displaystyle {\boldsymbol {b}}_{1}}$${\displaystyle {\boldsymbol {b}}_{2}}$${\displaystyle b}$${\displaystyle G}$${\displaystyle d}$

積層欠陥は、バーガーベクトルが 1/3<111> であるフランク部分転位によっても生成されることがあります。^[4]フランク部分転位によって引き起こされる積層欠陥には、固有と外在の 2 種類があります。固有積層欠陥は空孔凝集によって形成され、配列 ABCA_BA_BCA の平面が欠落しています。ここで、BA は積層欠陥です。^[5]外在積層欠陥は格子間凝集によって形成され、配列 ABCA_BAC_ABCA の平面が余分にあります。^[5]

積層欠陥は電子顕微鏡を使用して視覚化できます。^[6]一般的に使用される技術の1つは透過型電子顕微鏡（TEM）です。もう1つは走査型電子顕微鏡（SEM）の電子チャネリングコントラストイメージング（ECCI）です。

SEM では、結晶が歪んでいる欠陥領域では反射電子の収量が異なり、画像に異なるコントラストが生じるため、表面近くの欠陥を識別できます。積層欠陥を識別するには、マトリックス内の特定の格子面のブラッグ条件を正確に認識することが重要です。これにより、欠陥のない領域では反射電子がほとんど検出されず、暗く表示されます。一方、積層欠陥のある領域ではブラッグ条件を満たさないため、反射電子が多くなり、画像では明るく表示されます。コントラストを反転すると、明るいマトリックスの真ん中に積層欠陥が暗く表示される画像が得られます。^[7]

TEM では、明視野像は積層欠陥の位置を特定するために用いられる技術の 1 つです。積層欠陥の典型的な画像は暗く、低角粒界付近に明るい縞模様があり、積層欠陥の端にある転位に挟まれています。縞模様は、積層欠陥が観察面に対して傾斜していることを示しています。^[3]

多くの化合物半導体、例えば周期表のグループIIIとV、またはグループIIとVIの元素を組み合わせたものは、fcc閃亜鉛鉱型またはhcpウルツ鉱型の結晶構造で結晶化する。半導体結晶では、与えられた材料のfcc相とhcp相は通常、異なるバンドギャップエネルギーを持つ。結果として、スタッキングフォールトの結晶相​​が周囲の相よりもバンドギャップが低い場合、量子井戸が形成され、フォトルミネセンス実験ではバルク結晶よりも低いエネルギー（長い波長）で発光する。^[8]逆の場合（スタッキングフォールトのバンドギャップが高い場合）、結晶のバンド構造にエネルギー障壁が構成され、半導体デバイスの電流輸送に影響を与える可能性がある。