什麼是布格向量

表示繞差排一圈之迴路無法閉合的錯動量的向量。FCC的全差排為 (a/2)<110>。決定差排的種類與能量。

日文名稱: バーガースベクトル

「布格向量」出現在1領域的2道練習題中(晶體缺陷與擴散等)。

這個名詞所屬的領域: 晶體缺陷與擴散

以布格迴路求得

圍繞差排作出從原子到原子、在各方向前進相同步數的封閉迴路,再於沒有差排的完美晶體中以相同步驟走一遍,迴路便無法閉合而殘留錯位。表示這個錯位的向量就是布格向量b。其正負號依迴路的繞行方向,以及向量是由起點指向終點還是由終點指向起點的約定(FS/RH規則等)而定,計算時要統一使用1種約定。b相當於差排通過時晶體錯動的量與方向,差排的許多性質都由這個向量決定。

各晶體結構的值與Frank法則

差排每單位長度的能量約為 Gb²/2,與 |b|² 成正比,因此b會選擇最短的晶格平移向量。代表性的是FCC的 (a/2)<110>(大小 a/√2)、BCC的 (a/2)<111>(√3a/2)、HCP的 (a/3)<11-20>(大小a)。銅約為0.256 nm,α鐵約為0.248 nm。1條差排分解成滿足 b₁² > b₂² + b₃² 的2條時能量會下降,這個準則就是Frank法則,FCC分解為部分差排也可用它說明。

沿差排線不變的向量

即使差排線的方向隨位置彎曲,1條差排的布格向量在任何地方都相同。b與差排線垂直處為刃差排,平行處為螺旋差排,介於其間則為混合差排的成分。因此差排不會在晶體內部中斷,而是穿出表面、形成環圈,或在節點與其他差排相連。流入節點的布格向量總和等於流出的總和。也要注意,刃差排朝b的方向運動,而螺旋差排則垂直於b運動。

以TEM決定與塑性應變

在TEM中,在繞射向量g與b的內積為 g·b = 0 的條件下,差排的對比幾乎消失。以2個不同的g找出這個消失條件,就能決定b的方向。此外,差排運動所產生塑性剪應變的速率以 γ̇ = ρ_m b v(ρ_m 為可動差排密度,v為平均速度)表示,b是連結差排運動與巨觀變形的量。作用在差排上的力,也以每單位長度剪應力τ與b的乘積 τb 來估計。

練習布格向量的題目

在刃差排中,布格向量與差排線的關係,下列何者正確?

  1. A互相垂直
  2. B互相平行
  3. C恆成45°
查看答案與解析

正確答案:A. 互相垂直

刃差排是多餘的半原子面插入晶體中所形成的差排,布格向量b垂直於差排線。刃差排朝b的方向滑移,滑移面被限定為同時包含b與差排線的1個面。b與差排線平行的是螺旋差排,螺旋差排的滑移面不限定為1個,因此可以移到其他滑移面上,進行交叉滑移。一般的差排是介於兩者之間的混合差排,沿著差排線刃狀成分與螺旋成分的比例連續變化,並不固定為特定的45°。

FCC金屬全差排的布格向量為 (a/2)<110>。在鋁(晶格常數0.405 nm)中,其大小最接近下列何者?

  1. A約0.405 nm
  2. B約0.351 nm
  3. C約0.286 nm
查看答案與解析

正確答案:C. 約0.286 nm

(a/2)<110> 的大小為 (a/2) × √(1² + 1² + 0²) = a/√2,即 0.405/1.414 ≈ 0.286 nm。這等於FCC中最鄰近的原子間距,差排會選擇最密方向上最短的晶格平移向量作為布格向量。約0.405 nm 是晶格常數本身(<100>方向的平移),差排的能量與 b² 成正比,因此不利。約0.351 nm 是套用BCC的 (a/2)<111>,即 √3a/2 的值。差排每單位長度的彈性能約為 Gb²/2,b越小的差排越穩定。

常見問題

布格向量的大小要怎麼計算?

若為 (a/n)<uvw> 的形式,大小為 (a/n)√(u² + v² + w²)。例如FCC的銅(a = 0.3615 nm)的 (a/2)<110> 為 0.3615/√2 ≈ 0.256 nm,等於最近原子間距離。

部分差排的布格向量是什麼?

是具有非晶格平移向量之短向量的差排。FCC的Shockley部分差排為 (a/6)<112>,通過後會留下疊差,因此不是單獨存在,而是2條夾著疊差成對存在。

若把差排線的方向取反,布格向量會怎樣?

正負號會相反。即使差排本身相同,b的正負號也由差排線方向的取法與迴路的約定決定,因此在考慮多條差排的總和或反應時,必須統一使用相同的約定。

解析中的「布格向量」

出現「布格向量」的題目(2題)

  1. 在刃差排中,布格向量與差排線的關係,下列何者正確?
  2. FCC金屬全差排的布格向量為 (a/2)<110>。在鋁(晶格常數0.405 nm)中,其大小最接近下列何者?

相關名詞

差排 空位 菲克定律 擴散係數

前往名詞解釋列表