Несовершенства в твердых телах (дефекты точек и линий)

В изучении химии твердого тела несовершенства или дефекты имеют фундаментальное значение, поскольку они могут значительно влиять на свойства веществ. Несовершенства представляют собой отклонения от идеального расположения атомов или молекул в кристалле. Они могут возникать в различных формах и влиять на физические свойства, такие как электрическая и теплопроводность, механическая прочность и химическая реакционная способность.

Точечные дефекты

Точечные дефекты представляют собой простейшую форму дефектов, и они возникают в одной точке кристаллической решетки. Эти дефекты не распространяются в любом направлении за пределы своей ближайшей окрестности, то есть они являются локализованными нарушениями регулярного атомного расположения. Точечные дефекты можно дальше классифицировать на несколько категорий, наиболее распространенными из которых являются:

Дефекты вакансий

Дефект вакансии возникает, когда атом отсутствует в одной из точек решетки в кристаллической структуре.

Кристаллическая решетка (2D представление):
OOO
OXOO <- Вакансия обозначена 'X'
OOO
OOO
    

В приведенной выше иллюстрации 'O' представляет атомы, а 'X' представляет дефект вакансии, где атом отсутствует. Вакансии важны, поскольку они увеличивают диффузию вещества через твердое тело. Они могут быть термически индуцированы, и количество вакансий увеличивается с повышением температуры.

Междоузельные дефекты

В этом типе дефектов в кристаллическую структуру внедряется дополнительный атом в месте, где обычно нет атомов (междоузельное пространство). Они чаще всего встречаются в металлах, где маленькие атомы, такие как водород, углерод или азот, могут умещаться между более крупными атомами металла.

Кристаллическая решетка (2D представление):
OOO
OOO
OIOO <- Междоузельный атом обозначен 'I'
OOO
    

'I' указывает на междоузельный атом, расположенный между регулярными атомами решетки 'O'. Междоузельные дефекты могут влиять на механические свойства металлов, часто делая их более твердыми и прочными.

Дефекты замещения

Дефекты замещения возникают, когда один атом в кристалле заменяется другим типом атома. Это часто происходит при изготовлении сплавов.

Кристаллическая решетка (2D представление):
OOO
OAOO <- Замещающий атом представлен 'A'
OOO
OOO
    

Здесь 'A' представляет атом, который заменил один из атомов решетки 'O'. Наличие дефектов замещения может изменить физические свойства материалов, такие как плотность и электрическую проводимость.

Дефект Френкеля

Дефект Френкеля, также известный как дефект дислокации, возникает, когда атом или ион смещается с регулярной позиции решетки в междоузельное место, оставляя свободное место.

Кристаллическая решетка (2D представление):
OOO
OOOV <- Вакансия обозначена 'V'
OIOO <- Междоузельный ион обозначен 'I'
OOO
    

Этот дефект характерен для ионных твердых тел, где размер катиона мал. Он в основном влияет на ионную проводимость.

Дефект Шоттки

Дефект Шоттки — это тип точечного дефекта, который обычно наблюдается в ионных кристаллах. В этом типе дефекта существует пара вакансий, одна из которых представляет собой отсутствующий катион, а другая — отсутствующий анион для поддержания электрической нейтральности.

Кристаллическая решетка (2D представление):
OOO
OXYO <- 'X' и 'Y' представляют отсутствующий катион и анион
OOO
OOO
    

'X' и 'Y' представляют пару вакансий. Такие дефекты обычно встречаются в сильно ионных соединениях, таких как NaCl, где стехиометрия изменяется для поддержания баланса зарядов.

Линейные дефекты

Линейные дефекты представляют собой более протяженные несовершенства в кристаллической структуре и включают дислокации, которые по сути представляют собой линии, где нарушен кристаллический порядок. Дислокации не распространены во всех твердых телах и особенно важны для воздействия на механические свойства металлов.

Краевая дислокация

Краевая дислокация — это тип линейного дефекта, при котором в кристаллическую решетку вводится дополнительная полуплоскость атомов.

Красная линия показывает краевое смещение. Присутствие дислокаций влияет на механические свойства, такие как твердость и прочность на растяжение. Способность дислокаций перемещаться под напряжением важна в материаловедении.

Винтовая дислокация

При винтовой дислокации кристаллические слои образуют спиральный путь вокруг линии дислокации, что напоминает винт.

На приведенной выше иллюстрации спиральный путь показывает характер винтовой дислокации, а красная линия представляет линию дислокации. Винтовые дислокации позволяют скольжение между плоскими атомными решетками и могут быть важны для воздействия на кристаллические свойства материалов.

Эффекты несовершенств

Присутствие точечных и линейных дефектов в твердых телах имеет различные эффекты:

Электрические свойства

Дефекты могут влиять на электрические свойства материала. Например, в полупроводниках точечные дефекты могут вводить электронные состояния внутри запрещенной зоны, вызывая изменение электрической проводимости.

Рассмотрим кремниевый кристалл:

c c c c
c c c c
    

Если атом фосфора (который имеет больше валентных электронов, чем кремний) заменяет атом кремния, то он может вызвать поведение n-типа полупроводника из-за дополнительного отрицательного заряда (дополнительного электрона).

Механические свойства

Механические свойства, такие как прочность на растяжение, твердость и пластичность, зависят от дефектов. Например, дислокации могут препятствовать перемещению атомов, увеличивая прочность металлов, что известно как упрочнение деформацией.

Диффузия

Вакансии и междоузельные дефекты способствуют диффузии атомов в твердом теле. Это особенно важно в процессах, таких как образование сплавов и рост кристаллов.

Более высокие температуры могут увеличивать концентрацию вакансий, что увеличивает скорость диффузии.

Заключение

Несовершенства в твердых телах, особенно точечные и линейные дефекты, являются важными факторами, определяющими многие физические свойства веществ. Понимание этих дефектов важно для разработки материалов с желаемыми механическими, электрическими или химическими свойствами. Путем намеренного манипулирования дефектами материалы ученые могут значительно изменять свойства материалов, чтобы соответствовать специфическим приложениям и улучшать технологии.

Комментарии