差排與線缺陷

柏格斯向量(Burgers vector)

/ BUR-gers /

如果差排是晶體裡的一個瑕疵,那麼柏格斯向量就是那個「帶方向的量」,精確說出這個瑕疵「是什麼」以及「有多大」。它回答一個簡單的問題:當這條差排完整滑過晶體時,上半部相對下半部滑了多少、沿哪個方向?把這個量與方向打包成一支箭頭,就是柏格斯向量 b。它是差排最根本的指紋——兩條 b 相同的差排,在對變形要緊的各方面,就是同一種缺陷。

它的大小並非任意。一條差排掃過之後若要留下完美晶體,它所滑移的向量本身必須是一個晶格平移——晶體自身重複的一整步——否則它會在身後留下一道失配的抹痕。所以 b(對完美差排而言)是一個晶格向量,而為了讓能量低,晶體會挑「最短」的那個,指向排列最密的方向。在面心立方金屬中,這個最短向量是 a/2<110>,長度為 a/sqrt(2);對鋁(a = 4.05 埃)而言約為 2.86 埃——大約一個原子直徑。它與差排性質的關係很乾淨:b 垂直於線即為刃型,b 平行於線即為螺型。

在差排理論中,柏格斯向量比任何單一量都更舉足輕重。差排儲存的能量正比於 b 的平方,這就是為什麼晶體偏好短的柏格斯向量、以及為什麼大的 b 可能分裂成較小的。應力施加於差排的力取決於 b。而且 b 是守恆的:它沿線恆定,並在每個節點像電路中的電流一樣平衡。學會讀出一條差排的柏格斯向量,你就能預測它如何移動、耗費多少能量、以及會發生哪些反應。

由於線能量正比於 b^2,一條完美的面心立方差排 b = a/2[10-1](故 b^2 正比於 a^2/2 = 0.5 a^2)可以藉由分裂成兩條 a/6<112> 型蕭克利不全差排來降低能量,每條 b^2 正比於 a^2/6 = 0.167 a^2;兩條合計 0.333 a^2,小於 0.5 a^2。法蘭克規則(比較 b^2 之和)預測會分裂,而它確實發生了。

b 決定一條差排的身分、能量(正比於 b^2)與它所受的力;晶體會挑選最短的晶格向量。

柏格斯向量以 Jan Burgers(荷蘭人)命名,是專有名詞——英文中永遠大寫。完美差排的 b 是晶格向量;不全差排的 b「不是」晶格向量,因此它身後必定拖著一片疊差。

又稱
bslip vector布格斯向量