ناحیه ی مرزدانه ای

نویسنده: کینگری یین، بینجی زو، هورونگ زنگ
مترجم: حبیب الله علیخانی
نواحی مرزدانه ای با انرژی بالا، بر روی اثرات کاربردی مختلف، مؤثرند. در اینجا، ما ویژگی های آنها در سرامیک های PLZT و BaTiO_3 را مورد بررسی قرار می دهیم و رابطه ی میان ناحیه ی مرزدانه ای، تنش و ساختار هسته- پوسته را مورد بررسی قرار می دهیم.

توصیف کلی در مورد ناحیه ی مرزدانه ای

همانگونه که در شکل 3 بخش اول این مقاله مشاهده می شود، سرامیک ها حاوی مرزدانه های زیادی هستند. وقتی بررسی های جزئی تر انجام می شود (شکل 1 بخش چهارم این مقاله)، این فهمیده می شود که مرزدانه ها در حدود 0.5 تا 5 نانومتر عرض دارند اما این بخش ها می توانند بر روی فواصلی به اندازه ی 5 نانومتر، اثرگذار باشند. در واقع یک جای خالی اتمی می تواند با اتم های همسایه تداخل ایجاد کند و موجب شیفت فاصله ی اتمی به میزان 0.x تا 26 % شود. علاوه بر این، بار فضایی در مرزدانه ها، می تواند به عمق دانه ها نیز نفوذ کند مثلا در عمق 0.2 میکرون و مشابه لایه ی مضاعف در سطح مشترک جامد- مایع در محلول عمل کند. میدان کرنشی ایجاد شده بوسیله ی ساختار بی نظم مربوط به مرزدانه ها، می تواند بر روی خاص نوری، الکتریکی و مکانیکی در نواحی خاص، اثرگذار باشد. این بخش ها، نواحی مرزدانه ای نامیده می شوند. با آزمون های انجام شده برای بررسی خواص مربوطه، ضخامت ناحیه ی مرزدانه ای می تواند بدست آید. برخی اوقات، رسوباتی در بخش های مرزدانه ای ایجاد می شود و در برخی موارد دیگر، این رسوبات تشکیل نمی شود و به اصطلاح، ناحیه ی تمیز، در مرزدانه، وجود دارد. تغییر خواص نوری در ناحیه ی تمیز می تواند با استفاده از TEM مشاهده شود و حفراات نیز در برخی موارد در نواحی مرزدانه ای وجود دارند. ناحیه ی مرزدانه ای معمولاً تحت تنش است و تنش های کششی و فشاری می تواند برخی اوقات تشخیص داده شود. به دلیل انرژی های مختلف و یا بارهای فضایی مختلف، ناحیه ی مرزدانه ای پس از اچ گرمایی و یا شیمیایی، دارای مورفولوژی مختلفی است. از آنجایی که ناحیه ی مرزدانه ای دارای خواص الاستیک متفاوتی نسبت به دانه هاست، تصاویر اکوستیکی نیز می تواند بوسیله ی میکروسکوپ اکوستیکی، بدست آید. خواص رسانش گرمایی مربوط به دانه ها و مرزدانه ها، می تواند با استفاده از میکروسکوپ موجی- گرمایی مورد بررسی قرار گیرد. ناحیه ی مرزدانه ای دارای یک عرض 5 تا 1000 نانومتر است و در حدود 3 تا 30 % حجمی سرامیک های بالک را شامل می شود. به دلیل داشتن انرژی بالا، نواحی مرزدانه ای به عنوان بخش های فعال در ریزساختار عمل کرده و می تواند بر روی بسیاری از فرایندهای کاربردی، مؤثر باشد. مثال های نمونه وار از این موارد در ادامه مورد بررسی قرار می گیرد. اچ گرمایی موجب انتقال جرم و مهاجرت از نواحی با انرژی بالاتر به نواحی با انرژی پایین تر می شود و بنابراین، سطوح پولیش شده بسته به انرژی خود خورده می شوند. نواحی صاف تر در نزدیکی مرزدانه ها دارای ناحیه ی مرزدانه ای هستند که انرژی آنها نسبت به دانه ها، متفاوت است.

ناحیه ی مرزدانه ای در سرامیک های BaTiO_3

با توجه به کارهای D R Callaby (1965)، بر روی سطح تک کریستال های از جنس BaTiO_3، لایه ی سطحی با میزان ε و کرنش پایین وجود دارد و حرکت دیواره های دمین در این مواد، در داخل کریستال انجام می شود. دمین های الکتریکی تمایل به جوانه زنی در سطح مشترک میان سطح داخلی کریستال و لایه ی سطحی دارند. لایه ی سطحی دارای ضخامتی برابر با 0.2 تا 0.5 میکرون و یا 0.2 تا 10 میکرون می باشد. برای مثال، ویسکرهای BaTiO_3 با قطر 14 میکرون، دارای لایه ی بار سطحی با ضخامن یک میکرون، هستند. با اعمال میدان الکتریکی، لایه ی سطحی زیر نور پلاریزه ی مقاطع، روشن به نظر می رسد، و دمین های الکتریکی سوزنی شکل نیز در داخل این لایه جوانه زنی می کنند و در داخل بدنه ی کریستال، رشد پیدا می کنند. این گزارش شده است که بار فضایی در سرامیک های BaTiO_3 عمدتاً در مرزدانه ها توزیع می شود. خواص نوری مربوط به یک فیلم با ضخامت یک دانه ی منفرد، نشاندهنده ی این است که ناحیه ی مرزدانه ای در حدود 2 تا 5 میکرون عرض دارد و خواص نوری آن نسبت به دانه ها، متفاوت است. از آنجایی که بار فضایی مرزدانه ها موجب ایجاد اثرات محافظتی در برابر میدان اعمال شده، می شود، میدان الکتریکی مؤثر برای دانه ها، کاهش خواهد یافت و این مسئله در واقع توصیف کننده ی علل پیرسازی در مواد نیز هست.
وقتی یک میدان الکتریکی E بر روی سرامیک BaTiO_3 اعمال می شود، دانه و مرزدانه های عمود و موازی بر میدان الکتریکی، پاسخ متفاوتی از خود نشان می دهند. میدان الکتریکی ابتدا برروی مرزدانه ها اثر می گذارد. بعد از حذف میدان الکتریکی، ناحیه ی مرزدانه ای تا زمان حرارت دهی دوباره در دمایی بالاتر از دمای استحاله ی فازی، بازگشت پیدا نخواهد کرد.

ناحیه ی مرزدانه ای مربوط به سرامیک های PLZT

تحت نور پلاریزه ی متقاطع و استفاده از بریده های نازک از جنس PLZT، حالت های تنش مرزدانه ای مختلفی مشاهده می شود (شکل 1). میدان تنش مرزدانه ای را می توان با استفاده از نور پلاریزه ی متقاطع، مورد اندازه گیری قرار گرفت. مشاهده با TEM نشان می دهد که ناحیه ای با ضخامت یک میکرون در نزدیکی مرزدانه ها، ممکن ات ناحیه ی میدان تنش را تشکیل دهد (شکل 2). ما اچ گرمایی را بر روی سرامیک های PLZT اعمال کردیم تا بدین صورت بتوانیم ناحیه ی مرزدانه ای را به صورت مستقیم مشاهده کنیم (شکل 3). این شکل نشاندهنده ی وجود سوراخ های ناشی از اچ با پیکربندی های مختلف می باشد که این پیکربندی ها به محور نوری مختلف مربوط به دانه وابسته می باشد. اچ گرمایی موجب انتقال جرم و مهاجرت از نواحی با انرژی بالاتر به نواحی با انرژی پایین تر می شود و بنابراین، سطوح پولیش شده بسته به انرژی خود خورده می شوند. نواحی صاف تر در نزدیکی مرزدانه ها دارای ناحیه ی مرزدانه ای هستند که انرژی آنها نسبت به دانه ها، متفاوت است. از آنجایی که دانه های همسایه دارای جهت گیری های مختلف و زوایای مرزدانه ای مختلفی هستند، عرض متفاوت در مرزدانه ها، موجب می شود تا دانسیته ی و انرژی اتمی، از حالت تعادل خارج شوند به نحوی که نواحی تمیز مختلفی ایجاد می شود. H Hemoto (1981) رابطه ی میان مقاومت نسبت به دما (ρ-T) را برای مردانه های منفرد و در سرامیک های PTC مورد بررسی قرار داد. او فهمید که مرزدانه های مختلف دارای رابطه ی ρ-T متفاوتی هستند که احتمالا بوسیله ی دلایل مشابه تشکیل شده اند.
رابطه ی میان ضخامت مرزدانه (Z) و غلظت ناخالصی و اندازه ی دانه ها (D) در جدول 1 آورده شده است. در مرزدانه های با ساختار بی نظم و مراکز به دام افتادن فراوان، موانع تمایل به تشکیل شدن دارند و لایه ی تهی شده برای سرامیک های فروالکتریک، تشکیل می شوند. با ایجاد قابلیت تغییر خواص مواد، بار فضایی در سطح مشترک قرار می گیرد. با قابلیت ایجاد کرنش و تنش، ناحیه ی مرزدانه ای متحمل برخی از فرایندهای بازگشت ناپذیر مانند ریلکزاسیون، می شود. این ناحیه ابتدا به میدان پاسخ می دهد و سپس اثر جزئی باقیمانده ی خود را حتی پس از حذف میدان نیز حفظ می کند. موازی شدن دمین های الکتریکی در ناحیه ی مرزدانه ای می تواند موجب خنثی شدن بار مربوط به موانع پتانسیل بر روی سطح دانه ها شود (شکل 4). این مورد اساسی مهم در اثر PTC است. ما هم ترازی مربوط به دمین های منظم مربوط به میدان الکتریکی را در مرزدانه های سرامیک های PLZT در شکل 5 نشان داده ایم. عدم یکنواختی میدان الکتریکی در ناحیه ی مرزدانه ای می تواند موجب تسهیل ذرات الکتروفروس مانند ذرات دی اکسید تیتانیم در روغن سیلیکون شود و بدین صورت رسوب دهی در نزدیکی مرزدانه ها اتفاق افتد به نحوی که مرزدانه ها، آشکار شوند. در اچ شیمیایی، ناحیه ی مرزدانه ای و دانه دارای مورفولوژی های مختلفی خواهند بود. وقتی میدان اعمالی معکوس می شود، نواحی مسطح بر روی سطح دیگر مرزدانه، ظاهر می شوند. علاوه بر این، به دلیل تفاوت در بار فضایی، مرزدانه های موازی و عمود بر میدان الکتریکی، نیز مورفولوزی های مختلفی پیدا می کنند. با استفاده از میکروسکوپ الکترونی انتشاری، لایه ی مانع در مرزدانه ی مربوط به سرامیک های BaTiO_3 نیمه رسانا، می تواند مشاهده شود. ناحیه ی تیره که در حدود 5 میکورن عرض دارد و در یک سمت از مرزدانه وجود دارد، به سمت دیگر عبور می کند. این مسئله در زمان عکس شدن میدان رخ می دهد. مقایسه ی شکل 6 با شکل مرجع مربوطه، نشان می دهد که ناحیه ی مسطح با بار فضایی در ارتباط است. H B Heanstra (1977) دانه ها و مرزدانه هایی را با رنگ مختلف مشاهده کرد که بوسیله ی غلظت های مختلف از الکترون ها در مواد PTC ایجاد شده اند. J T C Kemenade (1978) موانع پتانسیل در مرزدانه ها را برای سرامیک های ZnO مشاهده کرد. Y M Chiang (1982) سرامیک های ZnO را تحت اعمال میدان E مورد بررسی قرار داد و توزیع متقارن عنصر Bi در مرزدانه های موازی با جهت اعمال میدان الکتریکی را مورد بررسی قرار داد. این بدین معناست که عنصر Bi در طول میدان اعمالی، مهاجرت می کند و در سمت مرزدانه تجمع می یابد.
با اعمال ولتاژ DC بر روی خازن های BL از جنس SrTiO_3، تفاوت پتانسیل میان دانه می تواند مشاهده شود. میدان کرنشی و کمبود یون های محلول در ناحیه ی مرزدانه ای، منجر به تشکیل ناحیه ی غیر رسوبی بر روی دو سمت مرزدانه می شود. Burnett (1978) سرمایش سریع را بر روی فولاد با خلوص بالا اعمال کرد و وضعیت مشابهی را مشاهده کرد. به هر حال، وضعیت مخالفی نیز ممکن است مشاهده شود یعنی رسوبات غیر پیوسته در طول ناحیه ی مرزدانه تشکیل می شود. با توجه به کارهای Unwin، باید گفت که غلظت جاهای خالی باید در دانه ها بسیار کمتر باشد به نحوی که این بخش ها، به عنوان سینک ایده آل جاهای خالی مطرح می شوند. فاکتور غیر رسوبی می تواند از نفوذ جاهای خالی و مواد حل شونده، توصیف شوند. عرض مرزدانه های مورد استفاده به عنوان فاصله ی چند اتمی در نظر گرفته می شوند اما برخی از محققین بر این باورند که یک ناحیه ی مرزدانه ای وسیع و یا فاصله ی نفوذی مؤثر وجود دارد. به دلیل نفوذ سریع جاهای خالی، سختی نزدیکی مرزدانه ها کاهش می یابد و بنابراین، عیوب کوئنچ شده می توانند حذف شوند و دیگر تولید نشوند.
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.
منبع مقاله :
Microstructure, property and processing of functional ceramics/ Qingrui Yin, Binghe Zhu, Huarong Zeng