פגם חדירה

פגם חדירה הוא סוג של פגם גבישי נקודתי שבו אטום מאותו סוג או מסוג אחר תופס מקום בחלל שאינו תפוס בדרך כלל במבנה הגבישי. כאשר האטום הוא מאותו הסוג שממנו בנוי הגביש, פגם זה מכונה גם כפגם חדירה עצמית. לחלופין, אטומים קטנים זרים בחלק מהגבישים עשויים לתפוס חללים ריקים, כגון מימן בפלדיום. ניתן לייצר אטומים חודרים על ידי הפצצת גביש בחלקיקים יסודיים בעלי אנרגיה מעל סף העקירה עבור אותו גביש, אך הם עשויים להתקיים גם באופן טבעי בריכוזים קטנים בשיווי משקל תרמודינמי. נוכחותם של אטומים חודרים יכולה לשנות את התכונות הפיזיקליות והכימיות של חומר. פגם חדירה עצמית הוא פגם חדירה המכיל רק אטומים שהם זהים לאלו שכבר קיימים בסריג. המבנה של פגמי חדירה עצמית נקבעו באופן ניסיוני בכמה מתכות ומוליכים למחצה. בניגוד למה שאפשר לצפות באופן אינטואיטיבי, לרוב מקרי החדירה העצמית במתכות בעלות מבנה ידוע יש מבנה 'מפוצל', שבו שני אטומים חולקים את אותו אתר בסריג. בדרך כלל מרכז המסה של שני האטומים החודרים הוא באתר הסריג, והם ממוקמים בו באופן סימטרי לאורך אחד מכיווני הסריג העיקריים. לדוגמה, במספר מתכות נפוצות במבנה קובייתי ממורכז פאה (fcc), כגון נחושת, ניקל ופלטינה, מבנה של החדירה העצמית הוא בכיוון [100], שבו שני אטומים החודרים ממוקמים במיקום החיובי והשלילי ([100], [100-]). בברזל קובייתי ממורכז גוף (bcc) מבנה החדירה העצמית קיים מבנה דומה בכיוון [110] עם חדירה מפוצלת. חדירות האטומים העצמיים המפוצלות הללו נקראות לעיתים חדירות משקולית, משום שבשרטוט שני האטומים המרכיבים את החדירה מתקבלים שני עיגולים גדולים עם קו עבה המחבר ביניהם, המדמה צורת משקולית. במתכות ממורכזות גוף (BCC) אחרות מברזל, בהתבסס על חישובים עדכניים בתורת פונקציונל הצפיפות משערים כי מצב היסוד הוא חדירה עצמית בשורה בכיוון [111], בשרשרת ארוכה (בדרך כלל כ-10–20) של אטומים, השורה דחוסה מעט יותר מהסריג האידיאלי בכדי שתוכל להכין אטום אחד נוסף. במוליכים למחצה המצב מורכב יותר, שכן פגמים עשויים להיות טעונים ומצבי טעינה שונים עשויים להיות בעלי מבנים שונים. לדוגמה, בסיליקון, פגם החדירה יכול להיות מורכב ממבנה מפוצל בכיוון [110] או מבנה טטרהדרלי. לפחמן, בעיקר בגרפיט וביהלום, יש מספר פגמי חדירה עצמית שהתגלו באמצעות חישובי קירוב צפיפות מקומית "חדירה ספירו-אטומית" (spiro-interestitial) בגרפיט, הקרוי על שם ספירופנטן, שכן אטום הפחמן החודר ממוקם בין מישורים בסיסיים וקשור אליהם בצורה גאומטרית המזכירה את מולקולת הספירופנטן. אטומים זרים קטנים חודרים בדרך כלל באתרים לא תפוסים בין אטומי הסריג. ניתן לאפיין אתרים אלה על ידי הסימטריה של מיקום האטום החודר ביחס לאטומי הסריג הקרובים ביותר אליו. לדוגמה, אטום חודר א' עם 4 אטומי סריג שכנים (במרחקים שווים) בסריג קובייתי ממורכז פאה (FCC), נמצא במיקום המאופיין בסימטריה טטרהדרלית, ולכן ניתן לכנותו חודר טטרהדרלי. אטומים זרים חודרים גדולים יכולים גם להתקיים בצורה מפוצלת ביחד עם אטום סריג (על ידי יצירת קשר עמו), בדומה לאטום שמבצע חדירה עצמית. פגמי חדירה משנים את התכונות הפיזיקליות והכימיות של חומרים. לאטומי פחמן חודרים יש תפקיד מכריע במאפיינים והעיבוד של פלדות, במיוחד פלדות פחמן. ניתן להשתמש בחדירה זרה לאחסון מימן במתכות. הסריג יכול להתרחב על ידי הגדלת ריכוז האטומים הזרים החודרים. האמורפיזציה של מוליכים למחצה כגון סיליקון במהלך הקרנת יונים מוסברת לעיתים קרובות על ידי הצטברות ריכוז גבוה של אטומים חודרים המובילים בסופו של דבר לקריסה של הסריג כשהוא הופך ללא יציב. יצירה של כמויות גדולות של חדירות במוצק יכולה להוביל להצטברות אנרגיה משמעותית, שבשחרורה עלולים אף להוביל לתאונות קשות בסוגים ישנים מסוימים של כורים גרעיניים (אפקט וויגנר). ניתן לשחרר את מצבי האנרגיה הגבוהה על ידי חישול. בסריגי FCC, לאטומים חודרים עצמיים יש אפקט ריכוך אלסטי גדול על המתפרס על החומר. הוצע כי אטומים חודרים בעלי השפעה על תחילת ההמסה וטמפרטורת המעבר הזכוכיתית. מדיה וקבצים בנושא פגם חדירה בוויקישיתוף Ehrhart, P. (1991) Properties and interactions of atomic defects in metals and alloys, H. Ullmaier (ed.), Landolt-Börnstein, New Series III vol. 25 ch. 2, pp. 88 ff. Springer, Berlin. Schilling, W. (1978). "Self-interstitial atoms in metals". Journal of Nuclear Materials. 69–70: 465. Bibcode:1978JNuM...69..465S. doi:10.1016/0022-3115(78)90261-1. Derlet, P. M.; D. Nguyen-Manh; S. L. Dudarev (2007). "Multiscale modeling of crowdion and vacancy defects in body-centered-cubic transition metals". Phys. Rev. B. 76 (5): 054107. Bibcode:2007PhRvB..76e4107D. doi:10.1103/physrevb.76.054107. Watkins, G. D. (1991) "Native defects and their interactions with impurities in silicon", p. 139 in Defects and Diffusion in Silicon Processing, T. Diaz de la Rubia, S. Coffa, P. A. Stolk and C. S. Rafferty (eds.), MRS Symposium Proceedings vol. 469. Materials Research Society, Pittsburg. Heggie, M.; Eggen, B.R.; Ewels, C.P.; et al. (1998). "LDF calculations of point defects in graphites and fullerenes". Electrochem Soc Proc. 98 (?): 60. Seidman, D. N.; Averback, R. S.; Okamoto, P. R.; Baily, A. C. (1987). "Amorphization Processes in Electron- and/or Ion-Irradiated Silicon" (PDF). Phys. Rev. Lett. 58 (9): 900–903. Bibcode:1987PhRvL..58..900S. doi:10.1103/PhysRevLett.58.900. PMID 10035067. Cerofilini, G. F.; Meda, L.; Volpones, C. (1988). "A model for damage release in ion-implanted silicon". J. Appl. Phys. 63 (10): 4911. Bibcode:1988JAP....63.4911C. doi:10.1063/1.340432. Rehn, L. E.; Holder, J.; Granato, A. V.; Coltman, R. R.; Young, J. F. W. (1974). "Effects of thermal-neutron irradiation on the elastic constants of copper". Phys. Rev. B. 10 (2): 349. Bibcode:1974PhRvB..10..349R. doi:10.1103/PhysRevB.10.349. Granato, A. V. (1992). "Interstitialcy Model for Condensed Matter States of Face-Centered-Cubic Metals". Phys. Rev. Lett. 68 (7): 974–977. Bibcode:1992PhRvL..68..974G. doi:10.1103/PhysRevLett.68.974. PMID 10046046. Forsblom, M.; Grimvall, G. (2005). "Homogeneous melting of superheated crystals: Molecular dynamics simulations". Phys. Rev. B. 72 (5): 054107. Bibcode:2005PhRvB..72e4107F. doi:10.1103/PhysRevB.72.054107. Nordlund, K.; Ashkenazy, Y.; Averback, R. S.; Granato, A. V. (2005). "Strings and interstitials in liquids, glasses and crystals" (PDF). Europhys. Lett. 71 (4): 625. Bibcode:2005EL.....71..625N. doi:10.1209/epl/i2005-10132-1.