Интерстицијален дефект

Во науката за материјали, интерстицијален дефект е вид на кристалографски дефект каде што атом од ист или различен тип зафаќа интерстицијално место во кристалната структура. Кога атомот е од ист тип како оние што веќе се присутни, тие се познати како самоинтерстицијален дефект. Алтернативно, мали атоми во некои кристали може да зафаќаат интерстицијални места, како што е водородот во паладиумот. Интерстицијалните дефекти може да се создадат со бомбардирање на кристал со елементарни честички што имаат енергија над прагот на поместување за тој кристал, но тие може да постојат и во мали концентрации во термодинамичка рамнотежа. Присуството на интерстицијални дефекти може да ги измени физичките и хемиските својства на материјалот.
1 Историја
Идејата за интерстициски соединенија започнала кон крајот на 1930-тите и тие често се нарекуваат Хагови фази по Гунар Хaг. Транзиционите метали генерално кристализираат или во хексагонални тесно спакувани или кубични кристални структури, од кои обете може да се сметаат дека се составени од слоеви на хексагонално тесно спакувани атоми. И во двете овие многу слични решетки постојат два вида меѓусебни простори:
* Две тетраедарски простори по метален атом, т.е. празнината е помеѓу четири метални атоми
* Еден октаедарска простор по метален атом, т.е. празнината е помеѓу шест метални атоми
Раните истражувачи сугерирале дека:
* металната решетка била незасегната од меѓусебниот атом
* електричната спроводливост била споредлива со онаа на чистиот метал
* имало широк спектар на композиции
* Видот на зафатениот меѓупростор беше определен од големината на атомот
Овие не се сметале за соединенија, туку како раствори, на пример, јаглерод, во металната решетка, со ограничувачка „концентрација“ на помалиот атом што била одредена од бројот на достапни меѓупростори.
2 Тековно знаење
Подеталното познавање на структурите на металите и бинарните и тернарните фази на металите и неметалите покажува дека:
* генерално при ниски концентрации на малиот атом, фазата може да се опише како раствор, а ова е приближно на историскиот опис на меѓуклеточно соединение погоре.
* При повисоки концентрации на малиот атом, може да бидат присутни фази со различни решеткасти структури, а тие може да имаат опсег на стехиометрии.
Еден пример е растворливоста на јаглеродот во железо. Формата на чисто железо е стабилна помеѓу 910°C и 1390°C, γ-железо, формира цврст раствор со јаглерод наречен аустенит, кој е познат и како челик.
3 Самоинтерстицијални
Самоинтерстицијалните дефекти се интерстицијални дефекти кои содржат само атоми кои се исти како оние што веќе се присутни во решетката.
Структурата на меѓуклеточните дефекти е експериментално определена кај некои метали и полупроводници.
Спротивно на она што интуитивно може да се очекува, повеќето самоинтерстицијални елементи кај металите со позната структура имаат „разделена“ структура, во која два атома го делат истото место на решетката. Типично, центарот на масата на двата атома е на местото на решетката и тие се симетрично поместени од неа по една од главните насоки на решетката. На пример, кај неколку вообичаени кубни метали со центрирано лице (fcc) како што се бакар, никел и платина, основната состојба на самоинтерстицијалната структура е разделената [100] интерстицијална структура, каде што два атома се поместени во позитивна и негативна [100] насока од местото на решетката. Кај кубното железо со центрирано тело (bcc) интерстицијалната структура во основна состојба е слично [110] разделен интерстицијален елемент.
Овие поделени меѓуслојни сфери често се нарекуваат меѓуслојни сфери во форма на тегови, бидејќи прикажувањето на двата атома што ја формираат меѓуслојната сфера со две големи сфери и дебела линија што ги поврзува, ја прави структурата да личи на уред за кревање тегови со тегови .
Кај други bcc метали освен железото, врз основа на неодамнешните пресметки на теоријата на густина-функција, се верува дека основната структура е [111] меѓуклеточната маса, која може да се разбере како долг синџир (обично околу 10-20) атоми по должината на [111] насоката на решетката, компресирани во споредба со совршената решетка така што синџирот содржи еден дополнителен атом.
Кај полупроводниците ситуацијата е посложена, бидејќи дефектите може да бидат наелектризирани и различните состојби на полнеж може да имаат различни структури. На пример, кај силициумот, меѓупросторот може да има или поделена [110] структура или тетраедарска меѓупросторна структура.
Јаглеродот, особено во графитот и дијамантот, има голем број интересни самоинтерстицијални атоми - неодамна откриени со користење на пресметки со апроксимација на локална густина - е „спиро-интересниот атом“ во графитот, именуван по спиропентан, бидејќи интерстицијалниот јаглероден атом е сместен помеѓу две базални рамнини и е врзан во геометрија слична на спиропентан.
4 Интерстицијални нечистотии
Малите меѓупросторни атоми со нечистотии обично се наоѓаат на вистински меѓупросторни места помеѓу атомите на решетката. Големите меѓупросторни атоми со нечистотии можат да бидат и во поделени меѓупросторни конфигурации заедно со атом на решетката, слични на оние на само-меѓупросторниот атом.
5 Ефекти на интерстицијалните атоми
Интерстицијалните атоми ги модифицираат физичките и хемиските својства на материјалите.
* Интерстицијалните атоми на јаглерод имаат клучна улога за својствата и обработката на челици, особено на јаглеродните челици.
* Интерстицијалните нечистотии можат да се користат, за складирање на водород во метали.
* Кристалната решетка може да се прошири со зголемување на концентрацијата на интерстицијални нечистотии.
* Аморфизацијата на полупроводници како силициумот за време на јонско зрачење често се објаснува со натрупување на висока концентрација на интерстицијали, што на крај доведува до колапс на решетката кога таа станува нестабилна.* Создавањето на големи количини интерстицијали во цврсто тело може да доведе до значително натрупување на енергија, која при ослободување може дури да предизвика сериозни несреќи кај некои стари типови нуклеарни реактори (Вигнеров ефект). Овие високоенергетски состојби можат да се ослободат со жарење (анилирање).
* Барем кај fcc решетката, интерстицијалите имаат силен диеластичен ефект на омекнување на материјалот.* Предложено е дека интерстицијалите се поврзани со почетокот на топењето и со стаклестиот преод.