Defectos de cristal

Los defectos del cristal se denominan cualquier violación estable de la simetría traslacional del cristal  , la periodicidad ideal de la red cristalina . De acuerdo con el número de dimensiones, en las que las dimensiones del defecto superan significativamente la distancia interatómica, los defectos se dividen en de dimensión cero (punto), unidimensional (lineal), bidimensional (plano) y tridimensional ( a granel) defectos [1] .

Defectos de dimensión cero (puntuales)

Los defectos cristalinos de dimensión cero (o puntuales ) incluyen todos los defectos asociados con el desplazamiento o reemplazo de un pequeño grupo de átomos (defectos puntuales intrínsecos), así como con las impurezas. Surgen durante el calentamiento, el dopaje, el crecimiento de cristales y como resultado de la exposición a la radiación . También pueden introducirse como consecuencia de la implantación . Las propiedades de tales defectos y los mecanismos de su formación son los más estudiados, incluidos el movimiento, la interacción, la aniquilación y la evaporación .

Los complejos que consisten en varios defectos puntuales también se observan a menudo en los cristales, por ejemplo: un defecto de Frenkel (vacante + átomo intersticial intrínseco), divacancia (vacante + vacante), centro A (vacante + átomo de oxígeno en silicio y germanio), etc.

Termodinámica de defectos puntuales

Los defectos puntuales aumentan la energía del cristal, ya que se gastó cierta energía en la formación de cada defecto. La deformación elástica provoca una fracción muy pequeña de la energía de formación de la vacante, ya que los desplazamientos iónicos no superan el 1% y la energía de deformación correspondiente es de décimas de eV . Durante la formación de un átomo intersticial, los desplazamientos de los iones vecinos pueden alcanzar el 20% de la distancia interatómica, y la energía de deformación elástica de la red correspondiente a ellos puede alcanzar varios eV. La parte principal de la energía gastada en la formación de un defecto puntual está asociada con una violación de la periodicidad de la estructura atómica y las fuerzas de enlace entre los átomos. Un defecto puntual en un metal interactúa con todo el gas de electrones. Eliminar un ion positivo de un nodo equivale a introducir una carga negativa puntual; Los electrones de conducción son repelidos de esta carga, lo que provoca un aumento de su energía. Los cálculos teóricos muestran que la energía de formación de una vacante en la red de cobre fcc es de aproximadamente 1 eV, y la de un átomo intersticial es de 2,5 a 3,5 eV.

A pesar del aumento de la energía del cristal durante la formación de sus propios defectos puntuales, éstos pueden estar en equilibrio termodinámico en la red, ya que su formación conduce a un aumento de la entropía. A temperaturas elevadas, el aumento del término de entropía TS de la energía libre debido a la formación de defectos puntuales compensa el aumento de la energía total del cristal U, y la energía libre resulta ser mínima.

Concentración de equilibrio de vacantes:

donde E 0  es la energía de formación de una vacante, k es la constante de Boltzmann, T es la temperatura absoluta. La misma fórmula es válida para los átomos intersticiales. La fórmula muestra que la concentración de vacantes debe depender fuertemente de la temperatura. La fórmula de cálculo es simple, pero solo se pueden obtener valores cuantitativos exactos conociendo el valor de la energía de formación del defecto. Es muy difícil calcular este valor teóricamente, por lo que uno debe contentarse con solo estimaciones aproximadas.

Dado que la energía de formación del defecto está incluida en el exponente, esta diferencia provoca una gran diferencia en la concentración de vacantes y átomos intersticiales. Por lo tanto, a 1000°C en el cobre, la concentración de átomos intersticiales es solo de 10–39 , que es 35 órdenes de magnitud menor que la concentración de vacantes a esta temperatura. En empaquetaduras cerradas, que son típicas de la mayoría de los metales, es muy difícil que se formen átomos intersticiales, y las vacantes en tales cristales son los principales defectos puntuales (sin contar los átomos de impureza).

Migración de defectos puntuales

Los átomos que oscilan en movimiento están constantemente intercambiando energía. Debido a la aleatoriedad del movimiento térmico, la energía se distribuye de manera desigual entre los diferentes átomos. En algún momento, un átomo puede recibir tal exceso de energía de sus vecinos que ocupará una posición vecina en la red. Así es como se produce la migración (movimiento) de los defectos puntuales en el volumen de los cristales.

Si uno de los átomos que rodean la vacante se mueve al sitio vacante, entonces la vacante se moverá correspondientemente a su lugar. Los sucesivos actos elementales de movimiento de una cierta vacante son realizados por diferentes átomos. La figura muestra que en una capa de bolas compactadas (átomos), para mover una de las bolas a un lugar vacío, debe empujar las bolas 1 y 2 para separarlas. es mínimo, el átomo debe pasar por un estado con mayor energía potencial, superar la barrera energética. Para esto, es necesario que el átomo reciba de sus vecinos un exceso de energía, que pierde, "apretando" en una nueva posición. La altura de la barrera de energía Em se denomina energía de activación de la migración de vacantes .

Fuentes y sumideros de defectos puntuales

La principal fuente y sumidero de los defectos puntuales son los defectos lineales y superficiales; consulte a continuación. En grandes monocristales perfectos, la descomposición de una solución sólida sobresaturada de defectos puntuales intrínsecos es posible con la formación de los llamados. microdefectos.

Complejos de defectos puntuales

El conjunto más simple de defectos puntuales es una divacancia (divacancy): dos vacantes ubicadas en sitios de celosía vecinos. Otro complejo bien conocido es el llamado par de Frenkel : un átomo en los intersticios y su vacante cercana. Los complejos que consisten en dos o más átomos de impurezas, así como átomos de impurezas y defectos puntuales intrínsecos desempeñan un papel importante en los metales y semiconductores. En particular, tales complejos pueden afectar significativamente la resistencia, las propiedades eléctricas y ópticas de los sólidos.

Defectos unidimensionales

Los defectos unidimensionales (lineales) son defectos de cristal, cuyo tamaño en una dirección es mucho mayor que el parámetro de la red, y en las otras dos, comparable con él. Los defectos lineales incluyen dislocaciones y inclinaciones . Definición general: la dislocación es el límite de un área de corte incompleto en un cristal. Las dislocaciones se caracterizan por un vector de corte (vector de Burgers) y un ángulo φ entre este y la línea de dislocación. Cuando φ=0, la dislocación se denomina dislocación de tornillo; a φ=90° - marginal; en otros ángulos, se mezcla y luego se puede descomponer en componentes helicoidales y de borde. Las dislocaciones surgen en el proceso de crecimiento de los cristales; durante su deformación plástica y en muchos otros casos. Su distribución y comportamiento bajo influencias externas determinan las propiedades mecánicas más importantes, en particular, como la resistencia, la plasticidad, así como la conductividad eléctrica, etc. Una declinación es el límite de un área de rotación incompleta en un cristal. Se caracteriza por un vector de rotación.

Defectos bidimensionales

El principal defecto representativo de esta clase es la superficie del cristal. Otros casos son los límites de grano del material, incluidos los límites de ángulo bajo (que representan asociaciones de dislocaciones), planos de maclado y superficies de separación de fases.

Defectos 3D

Defectos a granel. Estos incluyen acumulaciones de vacantes que forman poros y canales; partículas que se depositan en varios defectos (decoración), por ejemplo, burbujas de gas, burbujas de licor madre; acumulaciones de impurezas en forma de sectores (relojes de arena) y zonas de crecimiento. Por regla general, estos son poros o inclusiones de fases de impurezas. Son un conglomerado de muchos defectos. Origen: violación de los regímenes de crecimiento de cristales, descomposición de una solución sólida sobresaturada, contaminación de muestras. En algunos casos (por ejemplo, durante el endurecimiento por precipitación), se introducen deliberadamente defectos volumétricos en el material para modificar sus propiedades físicas.

Métodos para deshacerse de los defectos

El método principal que ayuda a deshacerse de los defectos en el cristal es el método de fusión por zonas . Este método es muy aplicable al silicio. Se funde una pequeña parte del cristal para recristalizar posteriormente la masa fundida. También solo se utiliza el recocido. Los defectos a temperatura elevada tienen un alto coeficiente de difusión . Las vacantes pueden salir a la superficie y, por lo tanto, se habla de la evaporación de los defectos.

Defectos útiles

Durante la deformación plástica de los metales (por ejemplo, forja , laminación ), se generan numerosas dislocaciones, con diferentes orientaciones en el espacio, lo que dificulta que el cristal se rompa a lo largo de la red de dislocaciones. Así, la resistencia del metal aumenta, pero al mismo tiempo, la ductilidad disminuye .

En rubíes cultivados artificialmente , zafiros para láser , se agregan impurezas ( Cr , Fe , Ti ) de elementos, centros colorantes que están involucrados en la generación de luz coherente .

Véase también

Notas

  1. ↑ Orlov A. N. Defectos // Enciclopedia física / Cap. edición A. M. Projorov . - M .: Enciclopedia soviética , 1988. - T. 1. - S. 595-597. - 704 pág. — 100.000 copias.

Literatura