В кристаллографии дефект Френкеля — это тип точечного дефекта в кристаллических твердых телах , названный в честь его первооткрывателя Якова Френкеля . [1] Дефект образуется, когда атом или меньший ион (обычно катион ) покидает свое место в структуре, создавая вакансию , и становится междоузлием , располагаясь в соседнем месте. [2] В элементарных системах они в основном образуются во время облучения частиц , поскольку их энтальпия образования обычно намного выше, чем у других точечных дефектов, таких как вакансии, и, таким образом, их равновесная концентрация в соответствии с распределением Больцмана ниже предела обнаружения. [ необходима цитата ] В ионных кристаллах, которые обычно обладают низким координационным числом или значительным различием в размерах ионов, этот дефект может образовываться также спонтанно, когда меньший ион (обычно катион ) дислоцируется. [ необходима цитата ] Подобно дефекту Шоттки , дефект Френкеля является стехиометрическим дефектом (не изменяет общую стехиометрию соединения). В ионных соединениях вакансия и междоузельный дефект заряжены противоположно, и можно было бы ожидать, что они будут расположены близко друг к другу из-за электростатического притяжения. Однако в реальном материале это вряд ли происходит из-за меньшей энтропии такого связанного дефекта или потому, что два дефекта могут коллапсировать друг в друга. [3] Кроме того, поскольку такие связанные сложные дефекты являются стехиометрическими, их концентрация не будет зависеть от химических условий. [4]
Несмотря на то, что дефекты Френкеля связаны только с миграцией ионов внутри кристалла, общий объем и, следовательно, плотность не обязательно изменяются: в частности, для плотноупакованных систем структурное расширение из-за напряжений, вызванных межузельным атомом, обычно преобладает над структурным сжатием из-за вакансии, что приводит к уменьшению плотности. [ необходима цитата ]
Дефекты Френкеля проявляются в ионных твердых телах с большой разницей в размерах между анионом и катионом (при этом катион обычно меньше из-за увеличенного эффективного заряда ядра ).
Некоторые примеры твердых тел, демонстрирующих дефекты Френкеля:
Это связано со сравнительно меньшим размером ионов и .
Например, рассмотрим структуру, образованную ионами X n − и M n + . Предположим, что ион M покидает подрешетку M, оставляя подрешетку X неизменной. Количество образованных интерстициалов будет равно количеству образованных вакансий.
Одна из форм реакции дефекта Френкеля в MgO, при которой оксидный анион покидает структуру и переходит в междоузлие , записанная в нотации Крёгера–Винка :
Это можно проиллюстрировать на примере структуры кристалла хлорида натрия. Приведенные ниже диаграммы являются схематическими двумерными представлениями.
