موضوع مقاله: نقص بلوری | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # نقص بلوری | مقدمه: عیب بلوری به هرگونه اختلال یا گسستگی در نظم و الگوی منظم آرایش اتم‌ها یا مولکول‌ها در جامدات بلوری گفته می‌شود. | ## بخش 1: نقص بلوری | در یک بلور ایده‌آل، موقعیت و جهت‌گیری ذرات با فواصل ثابتی که توسط پارامترهای سلول واحد تعیین می‌شوند، به‌صورت دوره‌ای تکرار شده و یک ساختار منظم ایجاد می‌کنند، اما در واقعیت این نظم تقریباً همیشه ناقص است.Ehrhart, P. هموتوپی توپولوژیکی روشی ریاضی برای توصیف و تعیین ویژگی‌های این عیوب فراهم می‌کند. نقص‌های نقطه‌ای نقص‌های نقطه‌ای عیوبی هستند که فقط در یک نقطه یا در اطراف یک نقطهٔ شبکهٔ بلوری رخ می‌دهند. معمولاً مرز دقیقی برای اینکه یک نقص تا چه حد باید کوچک باشد تا «نقطه‌ای» محسوب شود، تعریف نمی‌شود، اما این عیوب معمولاً شامل حذف یا اضافه شدن تنها چند اتم هستند. به دلایل تاریخی، بسیاری از نقص‌های نقطه‌ای، به‌ویژه در کریستال‌های یونی، با واژهٔ «مرکز» نام‌گذاری می‌شوند؛ مانند: مرکز لومینسانس، مرکز رنگ یا مرکز اف (F-center) که یک جای‌خالی در شبکهٔ بلور است. وجود این نوع نقص‌ها امکان انتقال یونی در بلورها را فراهم می‌کند و منجر به وقوع واکنش‌های الکتروشیمیایی می‌شود. اگر یک اتم مجاور به این محل خالی جابه‌جا شود و جای آن را پر کند، در واقع نقص جای‌خالی به سمت مخالف حرکت اتم منتقل می‌شود؛ یعنی نقص به موقعیتی می‌رود که قبلاً اتم از آن حرکت کرده است. پایداری ساختار بلوری اطراف این نقص باعث می‌شود اتم‌های مجاور به‌سادگی به داخل این فضای خالی فرو نریزند. حتی در برخی مواد، اتم‌های نزدیک به جای‌خالی ممکن است اندکی از آن دور شوند، زیرا نیروی جاذبهٔ بیشتری از اتم‌های دورتر دریافت می‌کنند.در بلورهای یونی، یک جای‌خالی منفرد یا یک جفت جای‌خالی (یون مثبت و یون منفی) را نقص شاتکی (Schottky defect) می‌نامند. این نوع آرایش معمولاً دارای انرژی بالایی است، زیرا حضور اتم اضافی باعث آشفتگی در ساختار منظم بلور می‌شود.با این حال، در برخی مواد، اتم‌های کوچک (عمدتاً اتم‌های ناخالصی) می‌توانند بدون ایجاد انرژی زیاد در فضای بین‌نشینی قرار بگیرند؛ مانند اتم هیدروژن در پالادیوم. این نقص زمانی به‌وجود می‌آید که یک یون از موقعیت شبکه‌ای اصلی خود جدا شده و به یک محل بین‌نشینی منتقل شود؛ در نتیجه، در محل اولیهٔ خود یک جای‌خالی ایجاد می‌کند. • به دلیل محدودیت‌های بنیادی در روش‌های خالص‌سازی مواد، هیچ ماده‌ای ۱۰۰٪ خالص نیست و این به‌طور طبیعی باعث ایجاد نقص در ساختار بلوری می‌شود. در مورد ناخالصی‌ها، اتم غالباً در یک موقعیت اتمی منظم در ساختار بلور جای‌گذاری می‌شود. این موقعیت نه یک جای‌خالی است و نه یک موقعیت بین‌نشینی، و به آن نقص جانشینی گفته می‌شود. اتم مورد نظر در اصل نباید در بلور حضور داشته باشد و بنابراین یک ناخالصی محسوب می‌شود. در برخی موارد که شعاع اتم یا یون جانشین به‌طور قابل توجهی کوچکتر از اتم یا یون اصلی باشد، موقعیت تعادلی آن ممکن است از محل شبکه‌ای اصلی فاصله بگیرد. دو نوع اصلی نقص جانشینی وجود دارد: جانشینی هم‌ارزش : وقتی یونی که جایگزین یون اصلی می‌شود، همان حالت اکسیداسیون یون اصلی را دارد. | ## بخش 2: نقص بلوری | جانشینی غیرهم‌ارزش : وقتی یونی که جایگزین یون اصلی می‌شود، حالت اکسیداسیون متفاوتی نسبت به یون اصلی دارد. جانشینی غیرهم‌ارزش باعث تغییر بار کلی در ترکیب یونی می‌شود، اما ترکیب یونی باید خنثی باقی بماند. بنابراین، مکانیسم جبران بار مورد نیاز است؛ یعنی یا یکی از فلزها به‌طور جزئی یا کامل اکسیده یا کاهش می‌یابد، یا جای‌خالی یون‌ها ایجاد می‌شود. • نقص آنتی‌سایت در یک آلیاژ یا ترکیب منظم زمانی رخ می‌دهد که اتم‌های دو نوع متفاوت، جایگاه‌های یکدیگر را در شبکهٔ بلوری عوض کنند. برای مثال، برخی آلیاژها دارای ساختار منظمی هستند که در آن، هر اتم با اتمی از گونه‌ای متفاوت جایگزین شده است. برای توضیح، فرض کنید اتم‌های نوع A روی گوشه‌های یک شبکهٔ مکعبی قرار دارند و اتم‌های نوع B در مرکز مکعب‌ها قرار گرفته‌اند. اگر در یکی از مکعب‌ها، یک اتم A در مرکز قرار گیرد (جایی که معمولاً باید اتم B باشد)، آن اتم در یک محل خلاف جایگاه معمول خود قرار گرفته و یک نقص آنتی‌سایت ایجاد می‌کند. این نوع نقص نه یک جای‌خالی است، نه یک نقص بین‌نشینی، و نه یک ناخالصی؛ بلکه نوعی جابجایی موقعیت میان اتم‌های اصلی شبکه است. • نقص‌های توپولوژیکی نواحی‌ای در یک بلور هستند که در آن محیط پیوندهای شیمیایی به‌طور توپولوژیکی با نواحی اطراف خود تفاوت دارد. برای مثال، در یک صفحهٔ کامل از گرافیت (گرافین)، تمام اتم‌ها در حلقه‌هایی با شش اتم قرار دارند. اگر در بخشی از این صفحه، حلقه‌هایی با تعداد اتم‌های متفاوت از شش تشکیل شود، در حالی که تعداد کل اتم‌ها تغییری نکند، یک نقص توپولوژیکی به‌وجود آمده است. • جامدات آمورف نیز می‌توانند نقص داشته باشند، اگرچه تعریف دقیق آن‌ها معمولاً دشوار است. برای مثال، در سیلیکا آمورف با پیوندهای ایده‌آل، تمام اتم‌های سیلیکون (Si) چهار پیوند با اتم‌های اکسیژن (O) دارند و هر اتم اکسیژن دو پیوند با اتم‌های سیلیکون برقرار می‌کند. بنابراین، به‌عنوان نمونه، یک اتم اکسیژن که تنها یک پیوند با سیلیکون دارد (که به آن پیوند آویزان گفته می‌شود می‌تواند به‌عنوان یک نقص در سیلیکا در نظر گرفته شود. علاوه بر این، نقص‌ها در جامدات آمورف می‌توانند بر اساس محیط اتمی محلی خالی یا بسیار فشرده نیز تعریف شوند. مشخص شده است که خواص چنین «نقص‌هایی» شباهت زیادی به نقص‌های جای‌خالی و بین‌نشینی در بلورها دارند. برای مثال، اگر یک نقص جای‌خالی (با یک ناخالصی (impurity) برخورد کند، ممکن است این دو به هم متصل شوند، به‌ویژه زمانی که اندازهٔ ناخالصی برای شبکه بیش از حد بزرگ باشد. | ## بخش 3: نقص بلوری | نابجایی‌ها نوعی نقص خطی هستند که در اطراف آن‌ها اتم‌های شبکهٔ بلوری دچار ناهم‌راستایی می‌شوند.Hirth, J. نابجایی لبه‌ای زمانی ایجاد می‌شود که یک صفحه از اتم‌ها در وسط بلور متوقف شود یا قطع شود. در این حالت، صفحات مجاور صاف نیستند و به جای آن، اطراف لبهٔ صفحهٔ قطع شده خم می‌شوند تا ساختار بلور در دو طرف کاملاً منظم باقی بماند.می‌توان این حالت را با یک دسته کاغذ مقایسه کرد: اگر نصف یک ورق در میان یک دسته کاغذ قرار داده شود، نقص فقط در لبهٔ آن ورق نیمه‌کاره قابل مشاهده است. نابجایی پیچشی کمی سخت‌تر قابل تصور است، اما اساساً شامل ساختاری است که در آن صفحات اتمی شبکه بلوری، یک مسیر مارپیچی (هلیکال) حول خط نقص (خط نابجایی) دنبال می‌کنند. نابجایی‌ها می‌توانند حرکت کنند، زمانی که اتم‌های یکی از صفحات مجاور، پیوندهای خود را شکسته و مجدداً با اتم‌های لبهٔ صفحهٔ قطع شده تشکیل پیوند دهند. این فرآیند باعث می‌شود که نابجایی در طول شبکه بلوری جابه‌جا شود، بدون اینکه کل ساختار بلور دچار شکست شود. وجود نابجایی‌ها و توانایی آن‌ها در حرکت و تعامل آسان تحت تأثیر تنش‌های ناشی از بارهای خارجی، باعث می‌شود که مواد فلزی قابلیت شکل‌پذیری (malleability) بالایی داشته باشند. دیسکلینیشن‌ها نوعی نقص خطی هستند که با “افزودن” یا “کم کردن” یک زاویه در اطراف یک خط مشخص می‌شوند. به عبارت دیگر، اگر چرخش یا جهت‌گیری بلور را در اطراف خط نقص دنبال کنیم، یک چرخش مشاهده می‌شود. به عبارت دیگر، اختلاف در ترتیب چینش لایه‌ها در بلورهای نزدیک‌فشرده منجر به ایجاد این نوع نقص صفحه‌ای می‌شود. مرزهای دانه‌ای زمانی ایجاد می‌شوند که جهت کریستالوگرافی شبکه به‌طور ناگهانی تغییر کند. خطای چینش در برخی ساختارهای بلوری رخ می‌دهند، اما نمونه رایج آن در ساختارهای نزدیک‌فشرده است. روی صفحات بلورهای تک‌دانه، پله‌های بین تراس‌های کاملاً صاف اتمی نیز می‌توانند به‌عنوان نقص‌های صفحه‌ای در نظر گرفته شوند. نشان داده شده است که چنین نقص‌ها و هندسهٔ آن‌ها تأثیر قابل‌توجهی بر جذب مولکول‌های آلی دارند. نقص‌های حجمی نقص‌های سه‌بعدی و ماکروسکوپی، مانند حفره‌ها، ترک‌ها یا ناخالصی‌های درون‌بلوری، نمونه‌هایی از نقص‌های حجمی هستند. خلأها (Voids): نواحی کوچکی که در آن‌ها اتمی وجود ندارد و می‌توان آن‌ها را به‌عنوان خوشه‌هایی از جای‌خالی‌ها در نظر گرفت. این نقص‌ها تأثیر قابل‌توجهی بر خواص مکانیکی، حرارتی و الکتریکی مواد دارند و می‌توانند باعث ضعف ساختاری یا تغییر رفتار ماده شوند. | ## جمع‌بندی | روش‌های ریاضی برای طبقه‌بندی نقص‌ها یکی از روش‌های موفق برای طبقه‌بندی ریاضی نقص‌های فیزیکی در شبکه‌ها، که نه تنها در نظریه نابجایی‌ها و سایر نقص‌های بلوری کاربرد دارد، بلکه برای نابجایی‌ها در کریستال‌های مایع و تحریکات در فوق‌سیال ³He نیز قابل استفاده است، نظریه هموتوپی است که شاخه‌ای از توپولوژی می‌باشد.