Кристаллографический дефект; атомы, расположенные в промежутках между атомами решетки
Межузельные атомы (синие) занимают некоторые места внутри решетки более крупных атомов (красные).
В материаловедении межузельный дефект — это тип точечного кристаллографического дефекта, при котором атом того же или другого типа занимает межузельное место в кристаллической структуре . Когда атом принадлежит к тому же типу, что и уже присутствующие, он известен как собственный межузельный дефект . Альтернативно, небольшие атомы в некоторых кристаллах могут занимать межузельные позиции, например, водород в палладии . Межузельные элементы могут быть созданы путем бомбардировки кристалла элементарными частицами , энергия которых превышает порог смещения для этого кристалла, но они также могут существовать в небольших концентрациях в термодинамическом равновесии . Наличие межузельных дефектов может изменить физические и химические свойства материала.
История
Идея межузельных соединений возникла в конце 1930-х годов, и их часто называют фазами Хагга в честь Хэгга. [1] Переходные металлы обычно кристаллизуются либо в гексагональной плотноупакованной , либо в гранецентрированной кубической структуре, обе из которых можно рассматривать как состоящие из слоев гексагонально плотноупакованных атомов. В обеих этих очень похожих решетках есть два типа промежутков или отверстий:
Две тетраэдрические дырки на атом металла, т.е. дырка находится между четырьмя атомами металла.
Одна октаэдрическая дырка на атом металла, т.е. дырка находится между шестью атомами металла.
Первые исследователи предположили, что:
решетка металла практически не подвергалась влиянию межузельного атома
электропроводность была сравнима с проводимостью чистого металла.
был диапазон состава
тип занимаемого междоузлия определялся размером атома
Они рассматривались не как соединения, а скорее как растворы, скажем, углерода в решетке металла, с предельной верхней «концентрацией» меньшего атома, которая определялась количеством доступных междоузлий.
Текущий
Более детальное знание строения металлов, а также бинарных и тройных фаз металлов и неметаллов показывает, что:
обычно при низких концентрациях малых атомов фазу можно описать как раствор, и это приближается к историческому описанию межузельного соединения, приведенному выше.
при более высоких концентрациях малых атомов могут присутствовать фазы с различной структурой решетки, и они могут иметь диапазон стехиометрии .
Одним из примеров является растворимость углерода в железе. Форма чистого железа, стабильная при температуре от 910°C до 1390°C, γ-железо, образует с углеродом твердый раствор , называемый аустенитом , который также известен как сталь .
Межстраничные объявления
Самомежузельные дефекты — это межузельные дефекты, содержащие только те атомы, которые уже присутствуют в решетке.
Структура собственных междоузлий в некоторых распространенных металлах. Левая часть каждого типа кристаллов показывает идеальный кристалл, а правая — дефектный.
Структура межузельных дефектов экспериментально установлена в некоторых металлах и полупроводниках .
Вопреки тому, что можно было интуитивно ожидать, большинство междоузельных элементов в металлах с известной структурой имеют «расщепленную» структуру, в которой два атома находятся в одном и том же узле решетки. [2] [3] Обычно центр масс двух атомов находится в узле решетки, и они смещены симметрично от него вдоль одного из главных направлений решетки . Например, в некоторых распространенных металлах с гранецентрированной кубической (ГЦК) структурой, таких как медь, никель и платина, основной структурой межузельного состояния является расщепленная [100] межузельная структура, в которой два атома смещаются в положительном и отрицательном направлении. [100] направление от узла решетки. В объемноцентрированном кубическом (ОЦК) железе межузельная структура основного состояния аналогично [110] расщепленному межузельному атому.
Эти разделенные междоузлия часто называют междоузлиями в виде гантелей, потому что изображение двух атомов, образующих междоузлия, с двумя большими сферами и толстой линией, соединяющей их, делает структуру похожей на гантель для поднятия тяжестей.
На основании недавних расчетов теории функционала плотности считается, что в других ОЦК-металлах, кроме железа, структура основного состояния представляет собой межузельный краудион [111] [4] , который можно понимать как длинную цепочку (обычно около 10–20) атомов. вдоль направления решетки [111], сжатой по сравнению с идеальной решеткой, так что цепочка содержит один дополнительный атом.
Структура самомежузельных гантелей в кремнии. Отметим, что структура межузельного атома кремния может зависеть от зарядового состояния и уровня легирования материала.
В полупроводниках ситуация более сложная, поскольку дефекты могут быть заряжены и разные зарядовые состояния могут иметь разную структуру. Например, в кремнии междоузлие может иметь либо расщепленную [110] структуру, либо тетраэдрическую истинно межузельную структуру. [5]
Углерод, особенно в графите и алмазе, имеет ряд интересных междоузлий, недавно обнаруженных с помощью приближения локальной плотности. Расчеты представляют собой «спиро-интерстициал» в графите, названный в честь спипентана , поскольку межузельный атом углерода расположен между двумя базальными атомами углерода. плоскости и связаны по геометрии, подобной спиропентану. [6]
Междоузельные примеси
Межузельные атомы небольших примесей обычно находятся в истинных межузельных узлах между атомами решетки. Крупные примесные междоузельные соединения также могут находиться в расщепленных межузельных конфигурациях вместе с атомом решетки, аналогично конфигурации собственного межузельного атома.
Эффекты межстраничных объявлений
Междоузлия изменяют физические и химические свойства материалов.
Межузельные атомы углерода играют решающую роль в свойствах и обработке сталей, в частности углеродистых сталей .
Примесные междоузлия можно использовать, например, для хранения водорода в металлах.
Кристаллическая решетка может расширяться за счет концентрации примесных междоузлий.
Аморфизация полупроводников, таких как кремний, во время ионного облучения часто объясняется накоплением высокой концентрации межузельных элементов, что в конечном итоге приводит к коллапсу решетки, поскольку она становится нестабильной. [7] [8]
Создание большого количества междоузлий в твердом теле может привести к значительному накоплению энергии, что при выбросе может даже привести к тяжелым авариям в некоторых старых типах ядерных реакторов ( эффект Вигнера ). Состояния с высокой энергией могут быть освобождены путем отжига .
По крайней мере, в ГЦК-решетке межузельные частицы оказывают большое диаупругое размягчающее действие на материал. [9]
Было высказано предположение, что междоузлия связаны с началом плавления и стеклования . [10] [11] [12]
^ Эрхарт, П. (1991) Свойства и взаимодействия атомных дефектов в металлах и сплавах , Х. Ульмайер (редактор), Ландольт-Бёрнштейн , Новая серия III, том. 25 ч. 2, стр. 88 и далее. Шпрингер, Берлин.
^ Шиллинг, В. (1978). «Самомежузельные атомы в металлах». Журнал ядерных материалов . 69–70: 465. Бибкод : 1978JNuM...69..465S. дои : 10.1016/0022-3115(78)90261-1.
^ Дерлет, премьер-министр; Д. Нгуен-Ман; С.Л. Дударев (2007). «Многомасштабное моделирование краудионных и вакансионных дефектов в объемноцентрированных кубических переходных металлах». Физ. Преподобный Б. 76 (5): 054107. Бибкод : 2007PhRvB..76e4107D. doi : 10.1103/physrevb.76.054107.
^ Уоткинс, Г.Д. (1991) «Собственные дефекты и их взаимодействие с примесями в кремнии», с. 139 в «Дефекты и диффузия при обработке кремния» , Т. Диас де ла Рубиа, С. Коффа, П.А. Столк и К.С. Рафферти (ред.), MRS Symposium Proceedings vol. 469. Общество исследования материалов, Питтсбург.
^ Хегги, М.; Эгген, БР; Юэлс, КП; и другие. (1998). «ЛДФ-расчеты точечных дефектов в графитах и фуллеренах». Электрохим Соц Proc . 98 (?): 60.
