差排與線缺陷

差排線能量(dislocation line energy)

製造一條差排要付出能量。它周圍應力場中所有被拉伸與擠壓的鍵都儲存了彈性能量,晶體必須為此買單。差排線能量就是這份儲存能量按線的單位長度計算——擁有一公尺差排要花多少代價。因為代價正比於長度,差排的行為就像被拉緊的橡皮筋或肥皂膜:它有一種線張力,把自己拉直、盡量縮短,這就是為什麼自由的差排段會彎弓、拉直,而不是隨意游走。

這份能量的大小幾乎完全由柏格斯向量決定,並遵循一條值得背下來的規則:線能量大約為 E = alpha G b^2 每單位長度,其中 G 是剪切模數、b 是柏格斯向量大小、alpha 是介於 0.5 到 1 的數(螺旋差排約 1/2,刃差排稍大)。關鍵在於 b 的「平方」。把柏格斯向量加倍,能量就變成四倍。這單一事實驅動了許多差排行為:晶體選擇盡可能短的柏格斯向量,而一條大 b 的差排若能分裂成兩條或更多條較小 b、且它們 b^2 之和小於原來的,往往就會分裂——這就是法蘭克能量規則。

能量也會隨晶體尺寸(緩慢地、以對數形式)增長,因為 1/r 的應力場延伸得那麼遠;完整式為 E = (G b^2 / 4 pi K) ln(R/r0),R 是外截斷、r0 是核心半徑、K 是接近 1 且取決於差排性質的因子。但對初學者而言頭條更簡單:線能量正比於 b^2,而且表現得像線張力。這股張力使被釘住的差排在應力下彎成平滑的弧、設定法蘭克-里德源的臨界應力,並在與疊差能相平衡時,決定不全差排之間疊差帶的寬度。

以銅估算:E 約為 (1/2) G b^2 = 0.5 x 48e9 Pa x (0.256e-9 m)^2 = 1.6e-9 J/m,也就是每公尺約 1.6 奈焦耳,或沿線每一原子間距約 4 eV。法蘭克規則只用 b^2 那部分:由於 a/2[10-1] 的 b^2 = 0.5 a^2、而兩條 a/6<112> 不全差排合計 0.33 a^2,分裂會降低能量,因此發生。

線能量正比於 b^2,並像線張力一樣把差排拉短、拉直。

正比於 b^2 的規則正是法蘭克規則成立的依據,但它是近似:它忽略各段之間的交互作用、並把線張力當成各向同性。真實的線張力取決於差排性質(刃 vs 螺),這就是為什麼差排並非完全柔軟。

又称
line tensionself-energyelastic energy per unit length線張力