Source: http://conocimientosdefectsinsolids.blogspot.com/2010/02/
Timestamp: 2018-06-20 11:31:47+00:00

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32 Defects in Solids - conocimientos.com.ve: febrero 2010
Tema de Defectos en Solidos
TEMA 1 Defectos y no estequiometría.
- Niveles estructurales
PTCR es el acrónimo de "Resistencia con coeficiente de temperatura positivo", consiste en que el material a bajas temperaturas es semiconductor, a partir de una cierta temperatura, temperatura de Curie, pasa de ser semiconductor a ser aislante. Para el BaTiO3 policristalino, esta Tc es ~125ºC y pasa de tener una resistencia de 10 a una de 10-8 ohmios, . Además a está temperatura pasa de ferroeléctrico a paraeléctrico y pasa de estructura de perovskita tetragonal a perovskita cúbica. Este mismo cambio en la estructura y en el ferromagnetismo se da en el titanato de bario monocristal, pero sin embargo no presenta efecto PTCR, por lo que podemos deducir que el efecto PTCR se relaciona con la textura de grano, ya que en el monocristal no existe.
- Definición de defecto, justificación de su presencia, cantidad y tipo.
Vamos a justificar la presencia de defectos en los sólidos cristalinos, viendo que pasaría al introducir una vacante catiónica en un cristal donde hay un mol de cationes, es decir 1023 sitios con cationes. Para crear una vacante tenemos que quitar un catión para ello debemos suministrar una energía al cristal, la entalpia de formación de la vacante ( H), en el momento en que creamos la vacante en el cristal se genera desorden y por tanto entropía que trae como consecuencia la emisión de esta energía por el cristal.
Estás entropías hacen que la energía emitida por el sistema, -T S (termino entrópico), sea mayor que la energía que nosotros hemos suministrado, con lo cual disminuirá la energía libre, G, del sistema , lo que hará que el sistema se estabilice. Por tanto si la creación de un defecto estabiliza, se deduce que todos los sólidos orgánicos e inorgánicos serán imperfectos.
- Clasificación de los defectos
Puntuales Defecto Frenkel
Lineales: Dislocaciones Helice, tornillo o Buergers
Estructural Desorden de apilamiento
- Defectos puntuales.
Vacante: hueco que aparece en una red covalente o metálica, estas vacantes pueden ser intrínsecas o extrínsecas y son siempre no estequiométricas. Las vacantes intrínsecas se producen siempre durante la solidificación, mientras que las extrínsecas se producen a altas temperaturas al ser procesado el sólido. A T ambiente hay menos vacantes que a altas temperaturas, por tanto podemos decir que la formación de vacantes es un fenómeno térmicamente activado, con lo que se ajustará a una ecuación de Arrenius, donde H es la energía que suministramos para crear el hueco.
- Interés de los defectos puntuales.
- Defectos lineales: Dislocaciones.
- Tipos de dislocaciones
- dislocaciones y endurecimiento.
- Observación de dislocaciones.
- Dislocaciones, estructura cristalina y deformación.
Otro factor a tener en cuenta para ver la facilidad con la que se deforma un cristal es la dirección en que se aplica la tensión, con respecto a las direcciones de deslizamiento y a los planos de deslizamiento. Para verlo nos fijamos en un monocristal de Mg (Figura 16), de estructura hexagonal compacta, al que aplicamos una tensión F, inicialmente esta tensión produce deformaciones plásticas (permanentes). Esto se explica ya que: la base del monocristal forma un ángulo con el plano basal de deslizamiento, por otra parte , es el ángulo entre la dirección de la fuerza aplicada y el plano de deslizamiento.
Cuando aplicamos fuerza a una superficie tenemos una tensión, la tensión es un parámetro vectorial con dos componentes de estas dos, solo la componente paralela al plano de deslizamiento es la efectiva, a esta tensión se le llama tensión de corte o cizalladura efectiva, .
= Fuerza en la dirección de deslizamiento/ área plano deslizamiento
Cuando el ángulo que forman la dirección en la que se aplica la tensión y el plano de deslizamiento son perpendiculares y cuando el ángulo entre el plano de deslizamiento y F es de 90º, la tensión que aplicamos es nula, ya que en el primer caso =90º y en el segundo =90º, y el coseno de 90º es igual a cero. Por tanto la situación en la que la fuerza aplicada tiene el máximo de eficacia es cuando ambos ángulos son de 45º, en este momento: = /2.
Además de la tensión efectiva, , otro parámetro de interés es la tensión efectiva crítica, c, que es la mínima tensión que hay que realizar para que se produzca deformación en el cristal.
TEMA 2 DEFECTOS RETICULARES o IMPERFECCIONES EN SÓLIDOS http://usuarios.fceia.unr.edu.ar/~adruker/Defectos%20reticulares%20Mat%20y%20Pro.pdf
Normalmente se los clasifica de acuerdo con su geometría y forma en:
Imperfecciones de Schottky y Frenkel
Puntuales Atomo sustitucional
Atomo intersticial
Lineales Dislocaciones
Superficiales Bordes de macla
Fallas de apilamiento
Poros, fisuras,
Volumétricos Inclusiones, Precipitados
Es el más simple de los defectos puntuales, se trata de un hueco debido a la ausencia del átomo que se encontraba en esa posición de la red (Fig. 2.1a). Las vacancias se pueden producir durante el proceso de solidificación debido a perturbaciones locales durante el crecimiento del cristal, o como resultado de vibraciones que facilitan el desplazamiento de los átomos de sus posiciones reticulares. En equilibrio el número de vacancias presentes es función de la temperatura a la que se encuentre el material:
N v ? N .e k .T
donde Nv = nº de vacancias
N = nº de puntos reticulares
Qv = energía de activación (energía vibracional
K = cte. de Boltzmann1
1 K = 1,38. 10-23 J/átomo.K, o 8,62. 10-5 eV/átomo.K
? N v ?
En la mayoría de los metales, la concentración de vacancias,
?? ? , es del orden de 10-4 a
temperaturas cercanas a la de fusión: 1 vacancia cada 10000 puntos reticulares.
Vacancias adicionales pueden producirse por deformación plástica del metal, por rápido enfriamiento desde temperaturas altas, y por bombardeo con partículas energéticas (neutrones). Éstas, que no son de equilibrio, tienen tendencia a agruparse formando clusters, por ejemplo trivacancias.
Las vacancias pueden trasladarse dentro del sólido, intercambiando sus posiciones con los átomos vecinos; este mecanismo es una de las formas de difusión en el estado sólido, de gran importancia particularmente a altas temperaturas cuando la movilidad de los átomos es mayor.
Fig. 2.1: Defectos puntua- les: vacancia y autointersti- cial; abajo, cristal iónico en el que se representan los defectos de Schottky y Frenkel
Cuando un átomo se ubica en uno de los huecos de su propia red cristalina, se constituye otro defecto puntual denominado autointersticial. Estos defectos no se encuentran espontáneamente en la naturaleza a causa de la tremenda distorsión estructural que ello produciría, pero pueden ser introducidos por irradiación.
En cristales iónicos los defectos puntuales son más complejos, debido a la necesidad de mantener la neutralidad eléctrica. Cuando dos iones de carga opuesta se pierden en un cristal iónico, se crea un par de huecos debidos al catión y al anión, lo que es conocido como imperfección de Schottky. Si un catión se mueve hacia una posición intersticial en un cristal iónico, una vacancia de catión se crea en la posición del ion. Esta dualidad vacancia-defecto intersticial se llama imperfección de Frenkel; sólo se da en estructuras relativamente abiertas, como la del CaF2, que puede acomodar cationes sin que se genere un esfuerzo
Se trata de la presencia de átomos extraños (impurezas o aleantes) en puntos reticulares o en huecos de la estructura cristalina de un metal puro, o de un cristal covalente o iónico. En general tienen una influencia notable en las propiedades mecánicas, físicas, químicas y eléctricas de los materiales. Por ejemplo, pequeñas cantidades de impurezas sustitucionales en el silicio puro pueden provocar un gran aumento de su conductividad eléctrica; en cambio, en los metales producen un aumento en la resistividad.
Son muy pocos los metales que se utilizan industrialmente en estado puro o casi puro; el cobre por ejemplo, con una pureza del 99,99 % se usa en cables eléctricos; el aluminio de 99,99 % de pureza (llamado aluminio superpuro) para fines decorativos, ya que con él pueden conseguirse acabados metálicos muy brillantes. La mayoría de los metales usados en ingeniería están combinados con otros metales o no metales formando aleaciones; de este modo se pueden mejorar propiedades como la resistencia mecánica y a la corrosión.
Los átomos extraños que se incorporan para mejorar al metal, se denominan elementos aleantes; los otros son impurezas indeseables, que también pueden encontrarse en los materiales de ingeniería, debido a su presencia en las materias primas naturales. Hay aleaciones relativamente simples, como el latón, aleación binaria de 70% de Cu y 30% de Zn; otras poseen estructuras extremadamente complejas como la super- aleación Inconel 718, de base níquel, utilizada en componentes de motores a reacción y que contiene unos
10 elementos en su composición. El tipo más sencillo de aleación es la constituida por una sola fase, la solución sólida; que se forma adicionando átomos de soluto a un material solvente, mientras se mantiene la estructura cristalina de éste. Existen dos tipos de soluciones sólidas: sustitucionales e intersticiales.
Soluciones sólidas sustituclonales
En ellas, los átomos de soluto ocupan puntos de la red cristalina del solvente. La Fig. 2.2 muestra un plano (111) en una estructura cristalina FCC en la que algunos átomos de otro elemento han sustituido a los del solvente. Si bien, su estructura cristalina permanece inalterada, las posiciones que ocupan los átomos se distorsionan debido a la presencia del soluto, especialmente si hay una diferencia significativa en los diámetros atómicos entre ambos elementos.
Fig. 2.2: Solución sólida sustitucional
La proporción de átomos de un elemento que se disuelve en otro, puede variar desde una pequeña fracción de su peso atómico hasta el 100 % del mismo. Este es el caso de "solubilidad total", que se da cuando se cumplen las siguientes condiciones:
1. diferencia entre los diámetros atómicos no mayor del 15 %.
2. igual estructura cristalina
3. pequeñas diferencias en sus electronegatividades, a fin de evitar su reacción y la formación de compuestos.
4. la misma valencia.
Como los diámetros atómicos de los elementos que forman una solución sólida son distintos, siempre habrá una distorsión en las posiciones de la red cristalina, creando tensiones por compresión o expansión. Cuando los diámetros atómicos difieren en más de un 15 %, el «factor tamaño» no es favorable para la solubilidad total; en estos casos se presenta un límite de solubilidad. Tampoco es posible la solubilidad total si los elementos poseen estructuras cristalinas distintas. Cuando las diferencias de electronegatividad son apreciables, la aleación puede dar lugar a que se formen soluciones sólidas de rango de solubilidad pequeño con estructuras cristalinas diferentes a las de los elementos originales, o bien compuestos químicos. Respecto a la valencia, en igualdad de condiciones, un elemento de mayor valencia tiene más tendencia a solubilizar que uno de valencia inferior.
Soluciones sólidas Intersticiales.
En ellas los átomos del soluto se ubican en los huecos de la red cristalina del solvente. Por ello, su tamaño debe ser muy pequeño, como es el caso del hidrógeno, carbono, nitrógeno, oxigeno y boro.
Un ejemplo importante de solución sólida intersticial es la formada por carbono en hierro ?, estado
alotrópico estable entre 910 0C y 1400 ºC. El radio atómico del hierro ? es de 0,129 nm y el del carbono 0,075 nm, por tanto la diferencia de radio atómico es de un 42 %. A pesar de esta diferencia, es posible disolver intersticialmente hasta un máximo de 2 % a 1130 ºC. La Fig. 2.3a lo ilustra esquemáticamente mostrando la distorsión de la red de hierro ? alrededor de los
átomos de carbono ya que, como se verá en el
Problema 1, el radio del mayor hueco intersticial (hueco octaédrico) en la red FCC de hierro es 0,053 nm. En la red BCC de hierro ? el radio del mayor espacio intersticial es de
0,036 nm, y como consecuencia de esto, a 723
ºC sólo es posible disolver intersticialmente un
0,025 % de carbono, siendo ésta la solubilidad máxima
Fig. 2.3: (a) Solución sólida intersticial de C en Fe?
(b) Plano de una red FCC conteniendo un átomo intersticial.
Problema Ejemplo 1
Calcular el radio del mayor hueco intersticial en la red FCC de hierro ?, sabiendo que el radio atórnico del hierro es 0,129 nrn, y los mayores huecos intersticiales se encuentran en las posiciones tipo: (1/2, 0, 0), (0, 1/2, 0), (0, O, 1/2), etc.
La Fig. 2.3b muestra un plano (100) de la red FCC; llamando al radio del átomo de hierro con R
y al del hueco intersticial en la posición (0,1/2, 0) con r, resulta
2R ? 2r ? a
(2R)2 ? ? 1 a ?
? 1 a2
? 2 ?? ? 2 ? 2
Resolviendo para a:
2R ? 1 a o
a ? 2 2R
Relacionando las Ecuaciones (2.1) y (2.3) se obtiene:
2R ? 2r ? 2 2R
2 - 1? R ? 0, 414R
? ?0, 414? ?0,129nm ? ? 0, 053nm
2.3.2. Defectos lineales: dislocaciones
Cuando un cristal es sometido a un esfuerzo capaz de provocarle deformación plástica, se observa que su límite elástico es asombrosamente menor que la resistencia teórica del cristal perfecto, calculada en términos de las fuerzas cohesivas de sus átomos. Esta discrepancia se debe a la presencia de un tipo de defecto que produce una distorsión de la red, centrada alrededor de una línea: las dislocaciones.
Si bien algunas dislocaciones se crean en la solidificación de los metales, su número se incrementa fundamentalmente durante la deformación plástica. Los dos tipos más importantes de dislocaciones son las de tornillo o helicoidal y la de borde o cuña. También puede producirse una combinación de ambas para dar dislocaciones mezcladas, lazos o bucles.
La dislocación de borde consiste en la inserción de un semiplano adicional de átomos, como se muestra en la Fig. 2.4a, justo encima del símbolo ?. La «t» invertida ?, indica una dislocación de borde positiva, mientras que la «t» derecha, T, indica una dislocación de borde negativa. Se denomina línea de dislocación a la última fila de átomos. Ésta y el vector de Burgers, son las características que describen las propiedades de la dislocación. En la Fig. 2.4b, se ha seguido un circuito pasando de átomo a átomo en una región del cristal; si esa región hubiera envuelto un cristal perfecto, se habría llegado al punto de partida. En este caso, la existencia de una dislocación provoca que el circuito no cierre. El vector de Burgers, designado con b, lo completa. Se puede comprobar que es perpendicular a la línea de la dislocación de borde.
Fig. 2.4: (a) Dislocación de borde positiva; (b) Circuito de Burgers, indicando el vector b.
La dislocación helicoidal se forma aplicando esfuerzos cortantes ? en el cristal, como se muestra en la Fig. 2.5a; la parte superior de la región frontal del cristal desliza una unidad atómica a la derecha respecto a la parte inferior. La distorsión asociada también es lineal y se sitúa alrededor de la línea de dislocación AB en la Fig. 2.5b. El término helicoidal deriva de la espiral o camino o rampa helicoidal que los planos atómicos trazan alrededor de la línea de dislocación, pudiendo ser derecha o izquierda. Como se observa, el vector de Burgers de esta dislocación es paralelo a la línea de dislocación.
Las dislocaciones son defectos de desequilibrio; almacenan alta energía en la región distorsionada de la red cristalina alrededor de ellas. La de borde presenta una zona de tensiones de compresión donde se encuentra el semiplano extra de átomos y una de tracción por debajo de él. (Fig. 2.6a). La zona tensionada alrededor de la dislocación helicoidal se representa en la Fig. 2.6b. Esta energía activa la interacción con los defectos puntuales: las vacancias son atraídas hacia las regiones comprimidas, mientras que los intersticiales y sustitucionales, concurren a las zonas traccionadas.
Las tensiones de corte aplicadas sobre el plano de deslizamiento de las dislocaciones, provocan el movimiento de las mismas. Como se verá en otro capítulo, esa es la clave de la deformación plástica de los metales. La Fig. 2.7 ilustra cómo se mueve una dislocación de borde bajo el esfuerzo ? aplicado. El átomo c de la parte (a) de la figura, pasa a la posición c´ en (b); la aplicación continuada del esfuerzo causa que la dislocación se desplace paso a paso hasta aflorar al exterior del cristal, como se ve en (c). En la superficie se produce un escalón cuya profundidad es de la magnitud del vector de Burgers de la dislocación.
La Fig. 2.8 muestra cómo se mueven las cuatro orientaciones básicas de las dislocaciones, sometidas a una misma tensión tangencial. Cuando un cristal posee varias o múltiples dislocaciones, en su movimiento interactuarán entre ellas, provocando interesantes fenómenos que se estudiarán posteriormente.
Otro grado de libertad que poseen las dislocaciones, es el trepado, que implica el movimiento de una dislocación de borde en dirección perpendicular a su plano de deslizamiento. Cuando las temperaturas son lo
Fig. 2.6: Dislocación helicoidal; (a) tensión cortante aplicada en el cristal
(b) vector de Burguers, b.
suficientemente altas como para permitir el movimiento por difusión, de un elevado número de vacancias, la línea de dislocación es reemplazada por una línea de vacancias, produciéndose un trepado positivo (Fig. 2.9). En cambio, cuando llegan a la zona traccionada de las dislocaciones, átomos en cantidad suficiente como para completar una nueva fila, se dice que el trepado es negativo.
Fig. 2.6: Campo de tensiones alrededor de
(a) una dislocación de borde
(b) una dislocación helicoidal
Fig. 2.7: Tres estados en el movimiento de una dislocación de borde a través
de un cristal
Fig. 2.8: Sentidos en que se mueven las cuatro orientaciones básicas de una dislocación bajo la misma tensión aplicada:
(a) Borde positivo
(b) Borde negativo
(c) Helicoidal izquierda
(d) Helicoidal derecha
Fig. 2.9: Trepado positivo de una dislocación de borde.
La mayoría de las dislocaciones que se encuentran en los cristales son una combinación de ambos tipos. En la línea curva de dislocación AB en la Fig. 2.10a, la dislocación es puramente helicoidal en la parte izquierda por donde entra al cristal y es únicamente de borde en la parte derecha por donde sale de él. Dentro del cristal, es de tipo mixto.
Fig. 2.10: (a) Dislocación mixta en un cristal. (b) Bosque de dislocaciones observadas en el microcopio electrónico de transmisión.
2.3.3. Defectos superficiales
Se trata de superficies que separan regiones del material que tienen distinta estructura cristalina y/o orientación cristalográfica. Incluyen las superficies exteriores, los bordes de grano, bordes de macla y fallas de apilamiento.
Las superficies exteriores son claramente los límites del material; los átomos que la conforman no están enlazados con el máximo de vecinos más próximos, por lo que su estado energético es superior al de los átomos interiores. Para disminuir esta energía, los materiales tienden espontáneamente a reducir su superficie exterior, lo que sólo pueden realizar los líquidos; de allí que las gotas adopten la forma esférica.
2.3.3.1 Bordes de grano
Un sólido cuya disposición atómica no presenta interrupción a lo largo de toda la muestra, se denomina monocristal. Las celdas unitarias están enlazadas y mantienen la misma orientación. Es el caso de algunas piedras preciosas, cuya forma exterior, de caras planas, refleja la propia estructura cristalina. Tecnológicamente es posible generar monocristales, para ello debe controlarse cuidadosamente su crecimiento. Su aplicación ha cobrado importancia en los últimos años, sobre todo en la microelectrónica, donde se emplean monocristales de silicio y otros semiconductores.
La mayoría de los sólidos son policristalinos, lo que significa que están constituidos por un conjunto de muchos cristales pequeños de diferente orientación, limitados por regiones denominadas bordes de grano.
Los bordes de grano se crean en los metales durante la solidificación, cuando los cristales formados a partir de diferentes núcleos crecen simultáneamente y se encuentran unos con otros (Fig. 2.11). Su aspecto queda determinado por las restricciones impuestas por el crecimiento de los granos vecinos.
Fig. 2.11: Crecimiento de cristales a partir de un líquido
Son regiones estrechas, de unos dos a cinco diámetros atómicos de ancho, en la que los átomos de granos adyacentes se encuentran mal acomodados. Debido a ese desorden, el empaquetamiento atómico de los bordes de grano es algo menor que dentro de los granos. La presencia de átomos en posiciones rígidas, aumenta aún más la energía de la región. Por este desorden y los enlaces atómicos incompletos, un material policristalino es más resistente que un monocristal.
En el interior de los granos suelen encontrarse zonas con pequeñas desorientaciones; normalmente se deben a alineación de dislocaciones, como puede verse en la Fig. 2.12. Son los límites de grano de ángulo pequeño o sub-bordes de grano.
En los materiales metálicos o cerámicos, los bordes de grano se pueden identificar como líneas oscuras mediante la observación microscópica de muestras conve- nientemente preparadas (Fig. 2.13). En los metales, las muestras se pulen hasta obtener una superficie especular y luego son sometidas a la acción de un reactivo químico; los bordes de grano se atacan más rápidamente que los granos debido a que, por su alta energía, son las zonas más inestables, produciendo diminutas grietas a lo largo de ellos.
Fig. 2.12: Límite de ángulo pequeño
Cuando se examina la muestra con un microscopio óptico de reflexión (Fig. 2.14), la luz incidente no se refleja tan intensamente en los bordes de grano, y por lo tanto, estos aparecerán como líneas oscuras en el ocular (Fig. 2.15).
Fig. 2.13: Micrografía de un metal puro Fig. 2.14: Esquema de un microscopio metalográfico atacada para revelar bordes de grano
Fig. 2.15: Efecto del ataque con ácido en la superficie pulida de una muestra metálica: (a) sin ataque; (b) atacada; (c) sobreatacada resaltando la estructura interna de los granos
Por su mayor energía y su estructura más abierta, los bordes de grano son la región más favorable para la nucleación y el crecimiento de segundas fases (precipitados). Su más bajo empaquetamiento atómico también permite una difusión más rápida de los átomos. A temperaturas normales, los bordes de grano limitan la deformación plástica siendo un obstáculo para el movimiento de las dislocaciones.
Tamaño del grano. Se deduce de lo dicho hasta ahora que el tamaño de grano en los metales es importante, ya que la cantidad de superficie de borde tiene un efecto significativo en muchas de sus propiedades, especialmente en la resistencia. A temperaturas bajas (menos de aproximadamente la mitad de la de fusión), los bordes de grano refuerzan a los metales por restricción del movimiento de las dislocaciones bajo tensión. A elevadas temperaturas pueden correrse, y por lo tanto, convertirse en las zonas más débiles de los metales policristalinos. La energía acumulada en los bordes de grano, que es mayor en materiales con granos pequeños, tiende a disminuirse a elevadas temperaturas, creciendo los granos espontáneamente en un fenómeno que se estudiará más adelante.
Un método de clasificar el tamaño de grano es el de la ASTM2, en el cual el índice de tamaño de grano n se define por
N ? 2n -1
donde N es el número de granos por pulgada cuadrada, y n es el número entero referido al índice ASTM de tamaño de grano, observando la superficie de material pulida y atacada, con una ampliación de 100 x.
2.3.3.2. Límites de maclas
Un límite de macla es un tipo especial de borde de grano respecto al cual existe una simetría de red especular; los átomos de un lado de ese plano son como imágenes especulares de los átomos que se encuentran al otro lado (Fig. 2.16). Las zonas comprendidas entre estos límites, se denominan maclas, y se generan al aplicar fuerzas mecánicas cizallantes (maclas mecánicas), o bien durante tratamientos térmicos de recocido posteriores a la deformación plástica de los metales (maclas de recocido).
Fig. 2.16: Representación esquemática de un plano o límite de macla.
2.3.3.3. Fallas de apilamiento
Son regiones que presentan una estructura cristalina diferente a la del metal original. En las redes FCC aparecen cuando se interrumpe la secuencia ABCABCABC... de apilamiento de planos compactos. Si el ordenamiento a partir de un cierto plano, pasara a ser ABABABA…, esa región tendría una estructura HCP. Como los bordes de grano, las fallas de apilamiento son zonas de desorden atómico, y por lo tanto, acumulan energía.
2 ASTM es la forma abreviada de American Society for Testing Materials.
2.3.4. Defectos volumétricos
En los materiales sólidos también pueden encontrarse otros defectos de mayor tamaño que los descritos anteriormente. Son los poros, grietas, inclusiones no metálicas y segundas fases (o precipitados), que normalmente se introducen durante el proceso de fabricación.
Los poros y grietas son huecos debidos a oclusión de gases, contracción durante la solidificación o tensiones producidas en los procesos de fabricación de las piezas. Las inclusiones no metálicas se forman por reacción de impurezas provenientes de la materia prima, por ejemplo, fósforo, azufre, silicio. En el caso del SMn, óxidos y silicatos, que se encuentra en los aceros comerciales, la cantidad y tamaño de estas inclusiones, está normalizado por la ASTM.
Los precipitados son segundas fases que se forman en las aleaciones metálicas debido a la disminución de solubilidad de las soluciones sólidas. Por ejemplo: a 500°C el aluminio disuelve 4,5% de Cu, proporción que disminuye con la temperatura, llegando a los 20ºC a sólo 0,2%; durante el enfriamiento los átomos de Cu difunden hacia el borde de grano, donde se constituye una fase nueva, el precipitado, que en este caso es el aluminiuro de cobre. El precipitado posee una red cristalina propia, distinta de la del cristal, por lo tanto, la interfase matriz-precipitado tiene una alta energía acumulada. Mediante tratamientos términos, se puede lograr que esos precipitados se dispersen uniformemente en la matriz mejorando las propiedades de la aleación.
Fig: 2.17: Precipitados en una aleación metálica
TEMA 3 http://www.uccs.edu/~tchriste/courses/PHYS549/549lectures/defects.html
PES 449 / PHYS 549
Structure of Solids: defects in solids
Ohring: Chapter 1, Section 1.3
Classification of Defects in Crystalline solids
polycrystalline solid - contains several crystalline regions which are randomly oriented
Most crystalline materials have many defects.
Some (like Silicon) can be grown with relatively few defects.
Three types of defects:
1. Planar defects - grain boundaries interfaces between two single crystal regions of different orientation
atoms at grain boundaries tend to be loosely bound
=> more reactive (corrosion) and accelerated diffusion along grain boundaries
typical grain sizes: 0.01 mm - 100 mm (micron)
How many atoms in a solid are at grain boundaries ?
simple model of cubic grains
assume grains are all cubes with sides of length l
l = grain size
a = atomic lattice parameter
n = number of atoms in one row of the grain
then, l = na
equation for ratio of surface to volume atoms
What would be the result for spherical grains of diameter, l ?
A somewhat better argument using truncated octahedra leads to the fraction being about 3.35 (a/l). (See Christian "Theory of Transformations in Metals and Alloys", p. 332).
for l = 0.1 micron (1000 Angstroms) and a = 3 Angstroms
about 10 atoms out of 1000 are at grain boundaries (1 %)
Number of grain boundaries in film (grain size) depends on deposition rate and substrate temperature.
* lower T => smaller grains => many boundaries
* hight T => larger grains => fewer boundaries
grain size is often proportional to film thicknes
(thinner films tend to have smaller grains)
2. line defects - dislocations
example: edge dislocation - from inserting an extra row of atoms
distorts lattice => stresses (compression and tension)
very common: often 1010 - 1012 dislocations/ cm2 in films
form from:
* film growth process
* dislocations in substrate continuing into film
* contamination on substrate
* self interstitial - extra atom
* vacancy - missing atom
* substitutional impurity - impurity atom in lattice
* interstitial impurity - impurity atom not in regular lattice site
in principle you can eliminate all of these except vacancies
vacancies arise from thermodynamics (entropy)
entropy higher with vacancy
fraction of vacancies (f)
o equation for fraction of vacancies
where kB = Boltzmann's constant = 1.381 x 10-23 J/K
typically Ef is about 1 eV
at room temperature, f is about 10-17
point defects often arise from
* fast deposition
* low substrate temperatures
=> no time for atoms to move to crystal lattice sites
films always have some statitistical distribution of thickness across the film
equation for roughness
generally observed less roughness
TEMA 4 http://www.science.uwaterloo.ca/~cchieh/cact/applychem/defect.html
* What are crystal defects and how are they classfied?
* How do impurities affect the structure and properties of a solid?
* What are color centers and how do they affect electric conductivity of solids?
Few, if any, crystals are perfect in that all unit cells consist of the ideal arrangement of atoms or molecules and all cells line up in a three dimensional space with no distortion. Some cells may have one or more atoms less whereas others may have one or more atoms than the ideal unit cell. The imperfection of crystals are called crystal defects.
Crystal defects are results of thermaldynamic equilibrium contributed also by the increase in entropy T S term of the Gibb's free energy:
DG = DH - TDS.
Only at the unatainable absolute zero K will a crystal be perfect, in other words, no crystals are absolutely perfect. However, the degree of imperfection vary from compound to compound.
On the other hand, some solid-like structure called flickering clusters also exist in a liquid. For example, the density of water is the highest at 277 K. The flickering clusters increase as temperature drops below 277 K, and the water density decreases as a result.
Solids are important for many technologies, and this link gives a well organized presentation.
What are crystal defects and how are they classfied?
As mentioned earlier, the missing and lacking of atoms or ions in an ideal or imaginary crystal structure or lattice and the misalignment of unit cells in real crystals are called crystal defects or solid defects. The two terms are interchangeable.
Crystal defects occur as points, along lines, or in the form of a surface, and they are called point, line, or plane defects respectively.
Point defects can be divided into Frenkel defects and Schottky defects, and these often occur in ionic crystals. The former are due to misplacement of ions and vacancies. Charges are balanced in the whole crystal despite the presence of interstitial or extra ions and vacancies. On the other hand, when only vacancies of cation and anions are present with no interstial or misplaced ions, the defects are called Schottky defects.
Point defects are common in crystals with large anions such as AgBr, AgI, RbAgI4. Due to the defects, the ions have some freedom to move about in crystals, making them relatively good conductors. These are called ionic conductors, unlike metals in which electrons are responsible for electric conductivity.
Recently, ionic conductors have attracted a lot of attention because the fuel cell and battery technologies require conducting solids to separate the electrodes.
Line defects are mostly due to misalignment of ions or presnece of vacancies along a line. When lines of ions are missing in an otherwise perfect array of ions, an edge dislocation appeared. Edge dislocation is responsible for the ductility and malleability. In fact the hammering and stretching of maaterials often involve the movement of edge dislocation. Movements of dislocations give rise to their plastic behaviour. Line dislocations usually do not end inside the crystal, and they either form loops or end at the surface of a single crystal.
A dislocation is characterized by its Burgers vector: If you imagine going around the dislocation line, and exactly going back as many atoms in each direction as you have gone forward, you will not come back to the same atom where you have started. The Burgers vector points from start atom to the end atom of your journey (This "journey" is called Burgers circuit in dislocation theory).
In this electronmicroscope image of the surface of a crystal, you see point defects and a Burger journey around an edge dislocation. The dislocation line is in the crystal, and the image shows its ending at the surface. A Burger vector is approximately perpendicular to the dislocation line, and the missing line of atoms is somehwere within the block of the Buerger journey.
If the misalignment shifts a block of ions gradually downwards or upwards causing the formation of a screw like deformation, a screw dislocation is formed. The diagram here shows the idealized screw dislocation. This diagram is from the above link, which also shows an electromiscopic images of screw dislocations.
Line defects weakens the structure along a one-dimensional space, and the defects type and density affects the mechanical properties of the solids. Thus, formation and study of dislocations are particularly important for structural materials such as metals. This link gives some impressive images of dislocations. Chemical etching often reveal pits which are visible under small magnifications.
The Table of X-ray Crystallographic Data of Minerals (The CRC Handbook of Chemistry and Physics) list the following for bunsenite (NiO): Crystal system: cubic, structure type: rock salt, a = 4.177*10-8 cm. In the table of Physical Constant of Inorganic Compounds, the density of bunsenite (NiO) is 6.67g / cm3. From these values, evaluate the cell volume (volume of the unit cell), sum of Ni and O radii (rNi + rO), 2 Molar volumes, (X-ray) density, and the Schottky defect vacancy rate.
Actually, most of the required values have been listed in the table, but their evaluations illustrate the methods. These values are evaluated below:
Cell volume = a3
= (4.177*10-8)3
= 72.88*10-24 cm3
rNi+rO = a / 2
= 2.088*10-8
X-ray density = 4*(58.69+16.00) / (6.023*1023*72.88*10-24)
= 6.806 g / cm3,
Compared to the observed density = 6.67 g / cm3.
The molar volumes (58.69+16.00) / density are thus
74.69 / 6.806 = 10.97 cm3; and 74.69 / 6.67 = 11.20 cm3
The vacancy rate = 6.806 - 6.67 / 6.806
= 0.02 (or 2%)
These methods are hints to assignments.
From the given conditions, we cannot calculate individual radii of Ni and O, but their sum is calculable.
Plane Defects
Plane defects occur along a 2-dimensional surface. The surface of a crystal is an obvious imperfection, because these surface atoms are different from those deep in the crystals. When a solid is used as a catalyst, the catalytic activity depends very much on the surface area per unit mass of the sample. For these powdery material, methods have been developed for the determination of unit areas per unit mass.
Another surface defects are along the grain boundaries. A grain is a single crystal. If many seeds are formed when a sample starts to crystallize, each seed grow until they meet at the boundaries. Properties along these boundaries are different from the grains.
A third plane defects are the stacking faults. For example, in the close packing arrangement, the adjancent layers always have the AB relationship. In a ccp (fcc) close packing sequence, ...ABCABC..., one of the layer may suddenly be out of sequence, and become ..ABABCABC.... Similarly, in the hcp sequence, there is a possibility that one of the layer accidentally startes in the C location and resulting in the formation of a grain boundary.
The stacking fault of fullerene crystals have been studied by high resolution electron microscopy, and the images are shown in this link.
How do impurities affect the structure and properties of a solid?
You already know that to obtain a perfectly pure substance is almost impossible. Purification is a costly process. In general, analytical reagent-grade chemicals are of high purity, and yet few of them are better than 99.9% pure. This means that a foreign atom or molecule is present for every 1000 host atoms or molecules in the crystal.
Perhaps the most demanding of purity is in the electronic industry. Silicon crystals of 99.999 (called 5 nines) or better are required for IC chips productions. These crystal are doped with nitrogen group elements of P and As or boron group elemnts B, Al etc to form n- aand p-type semiconductors. In these crystals, the impurity atom substitute atoms of the host crystals.
Presence minute foreign atoms with one electron more or less than the valence four silicon and germanium host atoms is the key of making n- aand p-type semiconductors. Having many simiconductors connected in a single chip makes the integrated circuit a very efficient information processor. The electronic properties change dramatically due to these impurities. This is further described in Inorganic Chemistry by Swaddle.
In other bulk materials, the presence of impurity usually leads to a lowering of melting point. For example, Hall and Heroult tried to electorlyze natural aluminum (aluminium) compounds. They discovered that using a 5% mixture of Al2O3 (melting point 273 K) in cryolite Na3AlF6 (melting point 1273 K) reduced the melting point to 1223 K, and that enabled the production of aluminum in bulk. Recent modifications lowered melting temperatures below 933 K.
Some types of glass are made by mixing silica (SiO2), alumina (Al2O3), calcium oxide (CaO), and sodium oxide (Na2O). They are softer, but due to lower melting points, they are cheaper to produce.
What are color centers and how do they affect electric conductivity of solids?
Color centers are imperfections in crystals that cause color (defects that cause color by absorption of light). Due to defects, metal oxides may also act as semiconductors, because there are many different types of electron traps. Electrons in defect region only absorb light at certain range of wavelength. The color seen are due to lights not absorbed.
For example, a diamond with C vacancies (missing carbon atoms) absorbs light, and these centers give green color as shown here. Replacement of Al3+ for Si4+ in quartz give rise to the color of smoky quartz.
A high temperature phase of ZnOx, (x < 1), has electrons in place of the O2- vacancies. These electrons are color centers, often referred to as F-centers (from the German word farben meaning color). Similarly, heating of ZnS to 773 K causes a loss of sulfur, and these material fluoresces strongly in ultraviolet light.
Some non-stoichiometric solids are engineered to be n-type or p-type semiconductors. Nickel oxide NiO gain oxygen on heating in air, resulting in having Ni3+ sites acting as electron trap, a p-type semiconductor. On the other hand, ZnO lose oxygen on heating, and the excess Zn metal atoms in the sample are ready to give electrons. The solid is an n-type semiconductor.
TEMA 5 Un defecto puntual http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/cuantica/defecto/Defectos.htm
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Un electrón se puede mover libremente por la red cristalina, sin embargo, cualquier irregularidad en la periodicidad de la red perturba su movimiento. Estas irregularidades en la red se deben a las imperfecciones en los sólidos, tales como espacios vacantes, átomos intersticiales y desplazados, dislocaciones e impurezas. Por ejemplo, si se agrega una cantidad pequeña de átomos de impureza y estos se distribuyen uniformemente por todo el sólido, la conductividad se modifica.
Un aislante puro es transparente pero si contiene impurezas presenta color. Por ejemplo, el corindón puro debería ser transparente, pero el rubí que tiene algunas impurezas de cromo presenta un intenso color rojo. La fosforescencia se explica también en términos de impurezas, por ejemplo, el sulfuro de zinc ampliamente usado en las pantallas de televisión, y en los contadores de centelleo.
El applet de esta página es semejante al sólido lineal, salvo que en éste podemos situar un defecto en el centro de la red lineal consistente en un pozo de potencial de distinta anchura y/o profundidad. El objetivo del programa es observar cómo se modifican los niveles de energía y las funciones de onda por la presencia de dicho defecto.
Se introduce los parámetros que definen el sistema de pozos de potencial
* el número de pozos (un número impar), en el control de edición titulado Número de pozos
* la anchura de cada uno de los pozos, en el control de edición titulado Anchura del pozo
* la separación entre los pozos, en el control de edición titulado Separación
* la profundidad de los pozos está fijada en el programa en un valor igual a 5 unidades.
Se introduce los parámetros que definen el defecto:
* el incremento de la anchura del pozo (Incr. anchura), una cantidad positiva hace más grande al pozo, una cantidad negativa hace que el pozo sea más estrecho.
* el incremento de la profundidad del pozo (Incr. profundidad), una cantidad positiva disminuye su profundidad y una cantidad negativa aumenta la profundidad, hace que el fondo del pozo esté por debajo del origen.
Pulsando en el botón titulado Niveles, se calculan los niveles de energía, su valor numérico se muestra en el control lista a la izquierda de la ventana, y se representan mediante líneas horizontales sobre la función potencial.
Seleccionando con el ratón un nivel de energía en la caja de listas y pulsando en el botón titulado Función de onda, se representa la función de onda correspondiente al nivel seleccionado. El mismo resultado se obtiene haciendo doble-clic sobre el valor del nivel de energía en la caja de listas situada a la izquierda de la ventana.
Cuando el número de pozos es elevado, el programa tarda cierto tiempo en efectuar el cálculo. Cuando el cursor por defecto cambia a la forma de reloj de arena comienza el proceso de cálculo, y termina cuando aparece de nuevo sobre la ventana del applet el cursor por defecto en forma de puntero.
Debido a la complejidad del cálculo de los niveles de energía y de las funciones de onda correspondientes a cada nivel, el programa no responde adecuadamente en algunas situaciones y en particular, cuando se incrementa la profundidad del pozo y los primeros niveles de energía caen por debajo del origen, tal como se ve en la figura.
Solido3.gif (2101 bytes)
Por ejemplo, cuando el primer nivel de energía está por debajo del origen (E<0), sería necesario calcular la energía de dicho nivel con una precisión muy elevada para que la representación de la función de onda tienda a cero cuando nos alejamos del origen hacia la izquierda o hacia la derecha.
TEMA 6 DISPOSITIVOS DE ESTADO SOLIDO http://www.cibernetia.com/tesis_es/FISICA/FISICA_DEL_ESTADO_SOLIDO/DISPOSITIVOS_DE_ESTADO_SOLIDO/1
El óxido de zinc: crecimiento cristalino mediante transporte en fase gaseosa y caracterización de propiedades físicas .
Autor: Tena Zaera Ramón.
Centro de lectura: Facultad de Física.
Centro de realización: Facultad de Física (U.V.E.G.).
Resumen: Esta tesis está centrada en el estudio del crecimiento cristalino y propiedades físicas del óxido de zinc (ZnO). Este material puede ser considerado como un semiconductor "antiguo", cuyo interés en la investigación se ha mantenido vivo durante varias décadas debido a su aplicación en diferentes áreas científicas e industriales, como son los dispositivos acusto-ópticos, los varistores, los sensores de gas, los electrodos transparentes conductores o su uso como ventana óptica en células solares. Además, en los últimos años ha surgido un interés especial debido a que sus propiedades físicas le convierten en un serio candidato para la fabricación de dispositivos optoelectrónicos en el rango del ultravioleta. La alta temperatura de fusión del ZnO hace que sea difícil abordar el crecimiento de cristales masivos de este material a partir de la fase liquida. Por tanto, el método hidrotermal y los métodos de transporte en fase gaseosa han sido los habitualmente utilizados para abordar el crecimiento de cristales de ZnO. Los cristales obtenidos mediante el método hidrotermal presentan una buena calidad estructural. Sin embargo, estos cristales contienen impurezas de litio y/o potasio, procedentes de los disolventes utilizados, que pueden afectar a las propiedades ópticas del ZnO. El crecimiento mediante métodos de transporte en fase gaseosa aparece como una alternativa atractiva para mejorar este punto. En el caso de los métodos de transporte en fase gaseosa es bien conocido que la velocidad de crecimiento del ZnO en sistemas cerrados, en el rango de temperaturas próximas a 1000 ºC y gradientes térmicos habituales, es muy baja si el proceso tiene lugar en ausencia de "especies adicionales". El uso de ciertas "especies adicionales" permite obtener velocidades de crecimiento mayores. En esta tesis hemos profundizado en la comprensión de los procesos involucrados en el crecimiento cristalino de ZnO mediante estos métodos, tanto en los mecanismos de generación de vapor como en los relacionados con el transporte de éste. El entendimiento de estos procesos ha sido muy útil para la optimización de la velocidad de crecimiento y para el control de la composición de la mezcla gaseosa existente dentro de la ampolla de crecimiento. Este hecho ha permitido actuar sobre la estequiometria de los cristales de ZnO y, por tanto, sobre sus propiedades físicas. Además, se han analizado diferentes estrategias para localizar y controlar el proceso de nucleación inicial. De esta forma se ha conseguido actuar sobre las propiedades estructurales de los cristales de ZnO. En este sentido, también se han sometido algunos de los cristales obtenidos a diferentes tratamientos térmicos posteriores al crecimiento. Estos se han llevado a cabo en le rango de temperaturas comprendido entre 900 y 1200 ºC tanto en vacío, como en atmósferas de oxígeno o zinc. Estos procesos térmicos han mejorado la calidad estructural de los cristales y, además, han aportado información sobre la naturaleza química y la concentración de defectos intrísencos puntuales presentes en los cristales de ZnO obtenidos. Para ello se han analizado la variación de sus propiedades estructurales, ópticas y eléctricas mediante diferentes técnicas de caracterización (difracción de rayos X de alta resolución, espectroscopia Raman, medidas de transmisión óptica y efecto may). Adicionalmente, en la última parte de esta tesis, se ha abordado el crecimiento de dos heerostructuras basadas en capas de ZnO con morfología nano-estructurada y su posible aplicabilidad como células solares. Las curvas tensión-voltaje (iV) obtenidas para la heterostructura ZnO/CdSe/CuSCN la convierten en una opción interesante para el desarrollo de una nueva tecnología en la producción de células solares. Este hecho pone de manifiesto la multifuncionalidad del ZnO.
QUIMICA DEL ESTADO SOLIDO http://www.fisicanet.com.ar/quimica/uniones/ap04_estado_solido.php
En el caso ideal los cationes Fe ²+ están en huecos octaédricos. Por cada Fe ²+ ausente, dos Fe ²+ próximos se oxidan a Fe³+ y algunos de los iones Fe³+ emigran a posiciones tetraédricas de la red. Estos huecos tetraédricos ocupados están arracimados formando un cluster de Koch-Cohen. La ordenación de estos clusters da lugar a una celda unidad de mayor tamaño, con menor simetría y se conoce con el nombre de super-red o supercelda.
Fases no estequiométricas con composición variable entre TiO0.65 y TiO1.25. Para la composición estequiométrica TiO la estructura es tipo NaCl, con vacantes tanto en la subred catiónica como en la aniónica (1/6 de Ti ²+ y 1/6 O= faltan). La super-red resultante tiene estructura monoclínica.
TiO estequiométrico presenta conductividad de tipo metálico por contracción de la red, que permite la solapación entre orbitales de los cationes,formando una banda parcialmente ocupada (d ²).
En el límite superior, TiO1.25,la estructura sigue basada en el NaCl, pero falta un Ti ²+ de cada cinco. Las composiciones intermedias, entre TiO y TiO1.25, corresponden a porciones de ambas estructuras, interpenetradas.
Las fórmulas generales de estos compuestos son :
Si en un cristal de Si (s ²p ²) se sustituyen algunos átomos por B (s ²p¹) la banda de valencia tendrá algunos huecos que conducirán. La conductividad será proporcional al número de huecos positivos y por eso se llama un semiconductor tipo p.
Si el dopaje se hace con fósforo (s ²p³) hay electrones de más, que ocupan parcialmente la banda de conducción; la conductividad será proporcional al número de cargas negativas en la banda de conducción(semiconductor tipo n).
Disolución con dos electrodos, el semiconductor tipo-n y un metal. El semiconductor tipo-n (GaAs dopado con n) está en contacto con un electrolito líquido,que contiene una especie que presenta dos estados de oxidación (e.g., Fe³+, Fe ²+). Al iluminarlo,el electrón (e-) va desde la BV a la BC, emigrando hacia la masa del semiconductor, pero el hueco (h+) va hacia el electrolito, en donde se compensa por un electrón que proviene del Fe ²+. El Fe³+ así formado se vuelve a reducir sobre el electrodo metálico, cerrándose el circuito por el exterior.
Estructura tipo NaCl (los de Ti, V, Mn,Fe, Co, Ni). Hay dos bandas d, una más estable, t2g, que puede acomodar 6N electrones, y otra de más energía, eg, que puede acomodar 4N electrones. Como Ti ²+ y V ²+ tienen 2 y 3 electrones 3d, entonces son conductores metálicos. Al avanzar hacia la derecha en la serie, debido a la contracción de los orbitales, las bandas d se hacen más estrechas, pudiendo llegar a ser aislantes.
Las ferritas son espinelas inversas AFe2O4,aunque también se utiliza para materiales con las mismas propiedades otras aunque no contengan Fe. En la espinela inversa los iones A ocupan huecos octaédricos y los Fe³+ están repartidos al 50% entre huecos octaédricos y tetraédricos. Los Fe³+OCT se alinean antiparalelos a los Fe³+T E T(magnetización resultante nula). Si los cationes A (divalentes) tienen electrones desapareados, sus spines se alinean paralelos a los de los Fe³+OCT vecinos y por tanto con los de los otros iones A. La resultante ferromagnética está originada por los iones A. En la magnetita, Fe3O4, la interacción entre Fe ²+ en huecos octaédricos es especialmente fuerte.
Se preparan a partir de disoluciones de silicatos de sodio y aluminato, [Al(OH)4]-, a pH alto, que se alcanza con un hidróxido alcalino o una base orgánica. La copolimerización de silicato y el aluminato forma un gel que se calienta en condiciones hidrotermales (sistema cerrado, 60-100deg.C) durante dos días.
Tema 8 http://www.ucm.es/info/otri/cult_cient/infocientifica/descargas/entr_jcalbet_07.pdf
Departamento de Química Inorgánica I. Facultad de Ciencias Químicas. Universidad Complutense de Madrid
Detrás de cada material hay un químico que lo ha estudiado
José Mª González Calbet dirige un grupo de investigación que se dedica a la Ciencia de los Materiales, a medio camino entre la química y la física, que a lo largo de los últimos veinte años se han convertido en uno de los pocos equipos españoles expertos en el uso de la microscopía electrónica.
La química de los sólidos es una disciplina que surge ya avanzado el siglo XX y que, de alguna manera, es muy cercana a la física, de hecho, fueron los físicos de principios de siglo los que desarrollaron las tecnologías que hoy permiten a los químicos de sólidos realizar su trabajo. José María González Calbet dirige un grupo de investigación que se dedica al estudio de materiales. El grupo, de aproximadamente quince personas, ha conseguido mantenerse estable desde los años ochenta, hecho bastante infrecuente entre los grupos de investigación españoles.
Isabel Gayol Menéndez
El trabajo de González Calbet se enmarca dentro de la Química Inorgánica, que estudia todos los elementos y compuestos del sistema periódico, a excepción del carbono y sus derivados, cuyo estudio pertenece a la Química Orgánica. El grupo de investigación de Calbet estudia materiales inorgánicos, dentro de lo que se
denomina Ciencia de los Materiales, una disciplina pluridisciplinar donde encuentran su lugar desde químicos y físicos hasta médicos o ingenieros, dependiendo del tipo de materiales que se investiguen.
Los químicos se situarían en la primera fase del proceso, ya que son los encargados de preparar el material con una determinada estructura, es decir, de distribuir los átomos de una manera concreta para conseguir unas propiedades específicas. Más tarde, esas propiedades pasan a ser analizadas por físicos y una vez estudiado el comportamiento de dicho material los ingenieros lo ponen a punto para que sea útil en la sociedad.
Fundamentalmente, González Calbet y su equipo intentan entender y establecer las relaciones que hay entre la estructura y las propiedades de los materiales, concretamente las de los óxidos mixtos. Si las propiedades de los materiales dependen de la estructura, es decir, de cómo estén ordenados sus átomos, y la estructura, a su vez, depende de la composición química, la labor de los químicos sería controlar la composición para así controlar las propiedades y conseguir el efecto deseado. Los químicos especialistas en sólidos varían las composiciones para conseguir estructuras nuevas, que tengan propiedades distintas, consiguiendo así materiales nuevos o mejorar los ya existentes.
El equipo de investigación, además, se centra principalmente en el estudio de
José Mª González Calbet
materiales con propiedades eléctricas o magnéticas, y para ello es muy importante tener en cuenta el tamaño de partícula. Esto es lo que se ha venido denominando en los últimos años como nanotecnología, una ciencia que estudia el
comportamiento de los materiales en tamaños y distancias muy pequeñas, y que ha permitido realizar importantes avances, imposibles hace tan sólo unas décadas. Se ha descubierto, por ejemplo, que la forma y el tamaño de los materiales tienen una importancia fundamental en las propiedades, sobre todo cuando el tamaño es de nanómetros o angstroms (Å), ya que muchas de las propiedades eléctricas y magnéticas varían en estos tamaños.
Hace unos veinte años era imposible estudiar materiales y distancias tan pequeñas, es más, era realmente difícil prepararlos, pero desde que se descubrieron los microscopios de efecto túnel o el de fuerzas, se abrió un nuevo campo en el estudio de los materiales. Al mismo tiempo aparecieron otras tecnologías que permitieron ver esas distancias: los microscopios electrónicos de alto voltaje, que son capaces de resolver distancias inferiores a los 2 Å.
"Si tienes un microscopio electrónico que es capaz de aumentar lo que estás viendo hasta tener una resolución que separa distancias entre puntos de 2 Å, es como si te pusieras unas gafas con unas lentes muy potentes que te permitieran ver desde la Tierra una pelota de ping-pong que estuviera en la superficie de la luna. Esa es la capacidad de aumento que posee un microscopio electrónico como los que usamos", ilustra José Mª González Calbet.
En la nanociencia, la unidad de medida es el nanómetro, 10-9 veces más pequeño que un metro, y se suelen medir distancias inferiores a los 1000 angstroms. Gracias a la posibilidad de observar partículas de tamaños tan diminutos se ha comprobado que existen óxidos de metales que analizados en tamaños de partícula grandes no poseen un comportamiento magnético, pero sí lo tiene cuando el tamaño es de
entre 50 y 60 angstroms.
La mayoría de las veces la materia está formada por átomos ordenados en forma de columnas y la distancia entre ellas se sitúa en torno a uno o dos armstongs. "Si tenemos un aparato que nos permite ver esas distancias, podemos entender lo que pasa, ver cómo están ordenados los átomos y cómo se puede provocar una
reacción química que cambie esa disposición para variar el orden estructural y conseguir un comportamiento diferente", explica José Mª González Calbet. El interés de este grupo de investigación radica en establecer la relación que hay entre la composición química, la estructura y las propiedades de los diferentes materiales
Los átomos suelen estar ordenados de la misma manera, pero a veces se desordenan y aparecen defectos. Todos los sólidos tienen defectos, sino no serían estables. El sólido ideal o el orden perfecto no existen, además, desde las leyes de la termodinámica se puede explicar que el orden perfecto no sería estable, por lo que es necesaria la presencia de un defecto estructural que justifique la estabilidad
de un sólido. En muchas ocasiones, esos defectos no se pueden apreciar porque se trata de defectos aislados, pero en otras ocasiones, desaparece un plano entero de átomos y con la microscopía electrónica se puede detectar y analizar. En la mayoría de las ocasiones, la presencia del defecto explica el comportamiento del sólido y
depende del efecto que se busque, a veces conviene generar estructuras con defectos, ya que la reactividad química es superior cuantos más defectos tenga un material.
Dentro de este gran marco general de estudio de óxidos mixtos con una composición y estructura controlada, González Calbet analiza también la influencia de la dimensionalidad de la estructura. Si se estudia un material cuya estructura es tridimensional, se le puede eliminar todo un plano y convertirlo en un sólido bidimensional o incluso en un sólido monodimensional, si se eliminan dos de los planos. Estos cambios provocan que el sólido posea unas propiedades distintas ya que se le está proporcionando a la estructura más espacio para que sus átomos se muevan y reaccionen. Esta dimensionalidad de las estructuras tiene una importancia vital a la hora de estudiar el comportamiento magnético y eléctrico de los sólidos. Una de las líneas de investigación del equipo de Calbet es comprobar la magnetorresistencia en los sólidos tridimensionales y el comportamiento magnético
y eléctrico en los monodimensionales.
Además, el equipo trabaja también en una línea de investigación paralela, en la que no se estaría hablando de la preparación de materiales, sino del desarrollo de las técnicas, y es que el equipo que dirige González Calbet es experto en el manejo de la microscopía electrónica de muy alta resolución. Todos sus estudios de caracterización estructural se hacen a través de esta avanzada tecnología, de la que no hay muchos aparatos en nuestro país. Además, se trata de un caso peculiar, ya que la microscopía electrónica suele ser más utilizada por los físicos que por los químicos.
"Estamos continuamente rodeados de materiales inorgánicos que usamos continuamente y a veces la sociedad no se da cuenta de ello. Este es uno de los problemas que tenemos la comunidad científica, que no sabemos transmitir el papel que jugamos en la sociedad actual- afirma González Calbet- desde el aparato de radio que uno enciende por las mañanas hasta los frenos del autobús, el lector de las cajas del supermercado o los trenes de levitación que ya se están probando en Japón… todo, absolutamente todo está compuesto de diferentes materiales, con diversos componentes que han sido estudiados y mejorados en un laboratorio. Siempre hay un científico detrás de cada material que lo ha investigado y mejorado
en un laboratorio".
José María González Calbet ha participado en importantes y muy diversos proyectos. Entre ellos podemos destacar:
- Magnetorresistencia gigante, propiedades eléctricas y superconductoras en óxidos derivados del tipo estructural perovskita.
- Magnetismo y superconductividad en superconductores electrónicos. Influencia de
la estequiometría del oxígeno y microestructura.
- Microestructura, propiedades magnéticas y superconductoras en óxidos derivados del tipo estructural perovskita: policristales y lámina delgada.
- Mejora del método MOCVD para obtención de películas superconductoras de alta
- Obtención de películas superconductoras de alta Tc por el método MOCVD para aplicaciones de alta tecnología (SUPERMOCVD).
TEMA 9 http://ieeexplore.ieee.org/Xplore/login.jsp?url=http%3A%2F%2Fieeexplore.ieee.org%2Fiel5%2F7594%2F20718%2F00958678.pdf%3Farnumber%3D958678&authDecision=-203
Una imagen de alta resolución método de adquisición con los defectos de píxeles para la recuperación sólida de sensores de imagen de estado
958678 abstract 958678 abstracto
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Komatsu, T. Saito, T. Komatsu, T. Saito, T.
Dept. of Electr. Dpto. de electr. Eng., Kanagawa Univ., Yokohama Eng., Kanagawa univ., Yokohama
This paper appears in: Image Processing, 2001. Este documento se encuentra en: Image Processing, 2001. Proceedings. Procedimiento. 2001 International Conference on 2001 Conferencia Internacional sobre
Publication Date: 7-10 Oct 2001 Fecha de publicación: 7-10 Oct 2001
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Current Version Published: Versión actual de publicación: 2002-08-07 00:07:31.0 2002-08-07 00:07:31.0
For super-high-resolution image acquisition beyond HDTV, a CMOS image sensor is the most promising. Para super-alta-de adquisición de imágenes de resolución más allá de HDTV, un sensor de imagen CMOS es la más prometedora. At present, a CMOS image sensor with spatial resolution of 3K×4K and temporal resolution of 30 fps is being developed. En la actualidad, un sensor de imagen CMOS con una resolución espacial de 3K × 4K y la resolución temporal de 30 fps se está desarrollando. The serious problem in fabricating such a super-high-resolution CMOS image sensor is a tremendously low yield rate, which is caused by occurrence of defect pixels. El grave problema en la fabricación de tal super-Sensor CMOS de alta resolución de imagen es una tasa de rendimiento sumamente bajo, que es causada por la ocurrencia de defectos de píxeles. If defect pixels are recovered by some post-processing, we can improve the yield rate dramatically. Si pixels defecto son recuperados por un post-procedimiento, podemos mejorar la tasa de rendimiento espectacular. From this point of view, we propose a new high-resolution image acquisition method which makes it possible to utilize a CMOS image sensor having many defect pixels. Desde este punto de vista, se propone un nuevo método de imagen de alta resolución de adquisición que permite utilizar un sensor de imagen CMOS con defecto de muchos píxeles. Our method deliberately takes a defocused image using an image sensor having defect pixels, applies a certain image recovery algorithm to it, and thus produces its focused and repaired version. Nuestro método de toma deliberadamente una imagen desenfocado utilizando un sensor de imagen con píxeles defecto, se aplica un determinado algoritmo de recuperación de la imagen a la misma, y por lo tanto produce su versión centrado y reparado. We study the frequency response of our method using one-dimensionally sinusoidally changing chart images, and perform some experimental simulations on real images Se estudia la respuesta de frecuencia de uso de nuestro método unidimensional sinusoidal imágenes cambiantes de éxitos, y realizar algunas simulaciones experimentales sobre imágenes reales,
TEMA 10 http://www.answers.com/topic/crystal-defect
Departures of a crystalline solid from a regular array of atoms or ions. A "perfect" crystal of NaCl, for example, would consist of alternating Na+ and Cl- ions on an infinite three-dimensional simple cubic lattice, and a simple defect (a vacancy) would be a missing Na+ or Cl- ion. There are many other kinds of possible defects, ranging from simple and microscopic, such as the vacancy and other structures shown in the illustration, to complex and macroscopic, such as the inclusion of another material, or a surface.
Some simple defects in a lattice.
Natural crystals always contain defects, due to the uncontrolled conditions under which they were formed. The presence of defects which affect the color can make these crystals valuable as gems, as in ruby (Cr replacing a small fraction of the Al in Al2O3). Crystals prepared in the laboratory will also always contain defects, although considerable control may be exercised over their type, concentration, and distribution.
The importance of defects depends upon the material, type of defect, and properties which are being considered. Some properties, such as density and elastic constants, are proportional to the concentration of defects, and so a small defect concentration will have a very small effect on these. Other properties, such as the conductivity of a semiconductor crystal, may be much more sensitive to the presence of small numbers of defects. Indeed, while the term defect carries with it the connotation of undesirable qualities, defects are responsible for many of the important properties of materials, and much of solid-state physics and materials science involves the study and engineering of defects so that solids will have desired properties. A defect-free silicon crystal would be of little use in modern electronics; the use of silicon in devices is dependent upon small concentrations of chemical impurities such as phosphorus and arsenic which give it desired electronic properties.
An important class of crystal defect is the chemical impurity. The simplest case is the substitutional impurity, for example, a zinc atom in place of a copper atom in metallic copper. Impurities may also be interstitial; that is, they may be located where atoms or ions normally do not exist. In metals, impurities usually lead to an increase in the electrical resistivity. Impurities in semiconductors are responsible for the important electrical properties which lead to their widespread use. The energy levels associated with impurities and other defects in nonmetals may also lead to optical absorption in interesting regions of the spectrum.
Even in a chemically pure crystal, structural defects will occur. These may be simple or extended. One type of simple defect is the vacancy, but other types exist (see illustration). The atom which left a normal site to create a vacancy may end up in an interstitial position, a location not normally occupied. Or it may form a bond with a normal atom in such a way that neither atom is on the normal site, but the two are symmetrically displaced from it. This is called a split interstitial. The name Frenkel defect is given to a vacancy-interstitial pair, whereas an isolated vacancy is a Schottky defect.
The simplest extended structural defect is the dislocation. An edge dislocation is a line defect which may be thought of as the result of adding or subtracting a half-plane of atoms. A screw dislocation is a line defect which can be thought of as the result of cutting partway through the crystal and displacing it parallel to the edge of the cut. Dislocations are of great importance in determining the mechanical properties of crystals. A dislocation-free crystal is resistant to shear, because atoms must be displaced over high-potential-energy barriers from one equilibrium position to another. It takes relatively little energy to move a dislocation (and thereby shear the crystal), because the atoms at the dislocation are barely in stable equilibrium. Such plastic deformation is known as slip. See also Plasticity.
For both scientific and practical reasons, much of the research on crystal defects is directed toward the dynamic properties of defects under particular conditions, or defect chemistry. Much of the motivation for this arises from the often undesirable effects of external influences on material properties, and a desire to minimize these effects. Examples of defect chemistry abound, including one as familiar as the photographic process, in which incident photons cause defect modifications in silver halides or other materials. Properties of materials in nuclear reactors is another important case.
http://html.rincondelvago.com/propiedades-de-solidos.html
TEMA ADICIONAL http://books.google.co.ve/books?id=cf9bR3MqgIIC&pg=PA405&lpg=PA405&dq=defected+in+solid&source=bl&ots=CPzj_B1iKs&sig=AgVva_ELZxOpWFf75ZYd3RIyx2c&hl=es&ei=arx4S4TtH4rp8QaOo5CfAg&sa=X&oi=book_result&ct=result&resnum=9&ved=0CC0Q6AEwCDhG#v=onepage&q=defected%20in%20solid&f=false
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Jesus E Contreras Rivas
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