Интерстициальный дефект

Кристаллографический дефект; атомы, расположенные в зазорах между атомами в решетке

Промежуточные атомы (синие) занимают часть пространства 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 положение в кристаллической структуре . Когда атом имеет тот же тип, что и уже присутствующие, они известны как само-междоузельный дефект . В качестве альтернативы, небольшие атомы в некоторых кристаллах могут занимать межузельные положения, например, водород в палладии . Межузельные атомы могут быть получены путем бомбардировки кристалла элементарными частицами , имеющими энергию выше порога смещения для этого кристалла, но они также могут существовать в малых концентрациях в термодинамическом равновесии . Наличие межузельных дефектов может изменять физические и химические свойства материала.

История

Идея интерстициальных соединений возникла в конце 1930-х годов, и их часто называют фазами Хагга в честь Хагга. ^[1] Переходные металлы обычно кристаллизуются либо в гексагональных плотноупакованных , либо в гранецентрированных кубических структурах, обе из которых можно считать состоящими из слоев гексагонально плотноупакованных атомов. В обеих этих очень похожих решетках есть два вида 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

Ранние исследователи предполагали, что:

• решетка металла была относительно не затронута междоузельным атомом
• электропроводность была сопоставима с электропроводностью чистого металла
• был диапазон состава
• тип занятого промежутка определялся размером атома

Они рассматривались не как соединения, а скорее как растворы, скажем, углерода в металлической решетке, с предельной верхней «концентрацией» меньшего атома, которая определялась числом доступных пустот.

Текущий

Более детальное изучение структур металлов, а также двойных 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 интерстициального соединения, приведенному выше.
• При более высоких концентрациях малых атомов могут присутствовать фазы с различными структурами решетки, и они могут иметь диапазон стехиометрий .

Одним из примеров является растворимость углерода в железе. Форма чистого железа, стабильная между 910 °C и 1390 °C, γ-железо, образует твердый раствор с углеродом , называемый аустенитом , который также известен как сталь .

Самостоятельные межстраничные объявления

Собственные межузельные дефекты — это межузельные дефекты, которые содержат только те же атомы, что и уже присутствующие в решетке.

Структура самоинтерстициального в некоторых распространенных металлах. Левая сторона каждого типа кристалла показывает идеальный кристалл, а правая сторона — кристалл с дефектом.

Структура межузельных дефектов была экспериментально определена в некоторых металлах и полупроводниках .

Вопреки тому, что можно было бы интуитивно ожидать, большинство самоинтерстициалов в металлах с известной структурой имеют «расщепленную» структуру, в которой два атома разделяют один и тот же узел 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 нескольких распространенных гранецентрированных кубических (ГЦК) металлах, таких как медь, никель и платина, структура основного состояния самоинтерстиция представляет собой расщепленную [100] междоузлие структуру, где два атома смещены в положительном и отрицательном [100] направлении от узла решетки. В объемно-центрированном кубическом (ОЦК) железе структура основного состояния интерстиция аналогично [110] расщепленное междоузлие.

Эти разделенные интерстиции часто называют гантелеобразными интерстициями, поскольку изображение двух атомов, образующих интерстицию, с двумя большими сферами и толстой линией, соединяющей их, делает структуру похожей на устройство для поднятия тяжестей в виде гантели .

В других ОЦК металлах, помимо железа, на основе недавних расчетов теории функционала плотности предполагается, что структура основного состояния представляет собой [111] краудионный интерстициальный ^[4] , который можно понимать как длинную цепочку (обычно около 10–20) атомов вдоль направления решетки [111], сжатую по сравнению с идеальной решеткой таким образом, что цепочка содержит один дополнительный атом.

Структура гантелеобразного самоинтерстициального в кремнии. Обратите внимание, что структура интерстициального в кремнии может зависеть от зарядового состояния и уровня легирования материала.

В полупроводниках ситуация сложнее, поскольку дефекты могут быть заряжены , а различные зарядовые состояния могут иметь разные структуры. Например, в кремнии интерстициал может иметь либо расщепленную [110] структуру, либо тетраэдрическую истинно интерстициальную. ^[5]

Углерод, особенно в графите и алмазе, имеет ряд интересных собственных междоузлий - недавно обнаруженных с помощью расчетов приближения локальной плотности - это «спиро-междуузельный» в графите, названный в честь спиропентана , поскольку междоузельный атом углерода расположен между двумя базальными плоскостями и связан в геометрии, подобной спиропентану. ^[6]

Примеси интерстициальные

Малые примесные межузельные атомы обычно находятся на истинных межузельных участках между атомами решетки. Крупные примесные межузельные атомы также могут находиться в расщепленных межузельных конфигурациях вместе с атомом решетки, подобно конфигурациям собственного межузельного атома.

Эффекты интерстициалов

Интерстициалы изменяют физические и химические свойства материалов.

• Внедренные атомы углерода играют решающую роль в свойствах и обработке сталей, в частности углеродистых сталей .
• Примесные интерстиции могут быть использованы, например, для хранения водорода в металлах.
• Кристаллическая решетка может расширяться с концентрацией примесных интерстициалов.
• Аморфизация полупроводников, таких как кремний, во время ионного облучения часто объясняется накоплением высокой концентрации интерстициалов, что в конечном итоге приводит к разрушению решетки, поскольку она становится нестабильной. ^{[7] [8]}
• Создание большого количества интерстициалов в твердом теле может привести к значительному накоплению энергии, которая при высвобождении может даже привести к серьезным авариям в некоторых старых типах ядерных реакторов ( эффект Вигнера ). Высокоэнергетические состояния могут быть высвобождены путем отжига .
• По крайней мере в решетке ГЦК, интерстиции оказывают большое диаэластическое смягчающее действие на материал. ^[9]
• Было высказано предположение, что интерстиции связаны с началом плавления и стеклования . ^{[10] [11] [12]}

Ссылки

1. Уэллс 56486 (1962) Структурная неорганическая химия 3-е издание, Oxford University Press
2. Эрхарт, П. (1991) Свойства и взаимодействия атомных дефектов в металлах и сплавах , Х. Ульмайер (ред.), Ландольт-Бёрнштейн , Новая серия III т. 25 гл. 2, стр. 88 и далее. Springer, Берлин.
3. Шиллинг, В. (1978). «Самоинтерстициальные атомы в металлах». Журнал ядерных материалов . 69–70: 465. Bibcode : 1978JNuM...69..465S. doi : 10.1016/0022-3115(78)90261-1.
4. Derlet, PM; D. Nguyen-Manh; SL Dudarev (2007). "Многомасштабное моделирование дефектов краудиона и вакансии в объемно-центрированных кубических переходных металлах". Phys. Rev. B. 76 ( 5): 054107. Bibcode :2007PhRvB..76e4107D. doi :10.1103/physrevb.76.054107.
5. Уоткинс, Г. Д. (1991) «Врожденные дефекты и их взаимодействие с примесями в кремнии», стр. 139 в книге « Дефекты и диффузия при обработке кремния » , Т. Диас де ла Рубиа, С. Коффа, П. А. Столк и К. С. Рафферти (ред.), Труды симпозиума MRS, том 469. Общество исследования материалов, Питтсбург.
6. Хегги, М.; Эгген, BR; Эвелс, CP; и др. (1998). "LDF-расчеты точечных дефектов в графитах и ​​фуллеренах". Electrochem Soc Proc . 98 (?): 60.
7. Seidman, DN; Averback, RS; Okamoto, PR; Baily, AC (1987). «Процессы аморфизации в кремнии, облученном электронами и/или ионами». Phys. Rev. Lett . 58 (9): 900–903. Bibcode : 1987PhRvL..58..900S. doi : 10.1103/PhysRevLett.58.900. PMID  10035067.
8. Cerofilini, GF; Meda, L.; Volpones, C. (1988). "Модель для высвобождения повреждений в ионно-имплантированном кремнии". J. Appl. Phys . 63 (10): 4911. Bibcode : 1988JAP....63.4911C. doi : 10.1063/1.340432.
9. Rehn, LE; Holder, J.; Granato, AV; Coltman, RR; Young, JFW (1974). "Влияние облучения тепловыми нейтронами на упругие константы меди". Phys. Rev. B. 10 ( 2): 349. Bibcode : 1974PhRvB..10..349R. doi : 10.1103/PhysRevB.10.349.
10. Granato, AV (1992). "Interstitialcy Model for Condensed Matter States of Face-Centered-Cubic Metals". Phys. Rev. Lett . 68 (7): 974–977. Bibcode :1992PhRvL..68..974G. doi :10.1103/PhysRevLett.68.974. PMID  10046046.
11. Форсблом, М.; Гримвалл, Г. (2005). «Гомогенное плавление перегретых кристаллов: моделирование молекулярной динамики». Phys. Rev. B. 72 ( 5): 054107. Bibcode : 2005PhRvB..72e4107F. doi : 10.1103/PhysRevB.72.054107.
12. Nordlund, K.; Ashkenazy, Y.; Averback, RS; Granato, AV (2005). "Струны и интерстиции в жидкостях, стеклах и кристаллах" (PDF) . Europhys. Lett . 71 (4): 625. Bibcode :2005EL.....71..625N. doi :10.1209/epl/i2005-10132-1. S2CID  250805987. Архивировано из оригинала (PDF) 2017-02-15 . Получено 2016-04-05 .