פגם חדירה

פגם חדירה (אנגלית: Interstitial defect) 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.

 חדירה עצמית 
פגם חדירה עצמית הוא פגם חדירה המכיל רק אטומים שהם זהים לאלו שכבר קיימים בסריג.
שמאל|ממוזער|300x300 פיקסלים| מבנה חדירה עצמית בכמה מתכות נפוצות. הצד השמאלי של כל סוג קריסטל מציג את הגביש האידיאלי והצד הימני את זה עם פגם.
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.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. 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, משערים, בהתבסס על חישובים עדכניים בתורת פונקציונל הצפיפות, 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.
שמאל|ממוזער|200x200 פיקסלים| מבנה משקולית חדירה עצמית בסיליקון. ניתן לראות כי מבנה החדירה בסיליקון עשוי להיות תלוי במצב המטען וברמת האילוח של החומר.
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.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.

לפחמן, בעיקר בגרפיט וביהלום, יש מספר פגמי חדירה עצמית, שהתגלו באמצעות חישובים המבוססים על תורת קירוב הצפיפות המקומית. למשל, "חדירה ספירו-אטומית" (spiro-interestitial) בגרפיט, הקרויה על שם , שכן אטום הפחמן החודר ממוקם בין מישורים בסיסיים וקשור אליהם בצורה גאומטרית המזכירה את מולקולת הספירופנטן.

 חדירה זרה 
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.
ממוזער|208x208 פיקסלים| סימטריה אוקטהדרלית (אדום) וטטרהדרלית (כחול) בסריג FCC. באופן אידיאלי האטום החודר יהיה באמצע אחד הפאונים.

 השפעות אטומי החדירה 
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 עלולה 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 המתפרס על החומר.
 הוצע כי לאטומים חודרים השפעה על תחילת ההמסה וטמפרטורת המעבר הזכוכיתית.

קישורים חיצוניים

 הערות שוליים 

קטגוריה:הנדסה כימית
קטגוריה:פגמים קריסטלוגרפיים