В кристаллографии вакансия — это тип точечного дефекта в кристалле , при котором в одном из узлов решетки отсутствует атом . [2] Кристаллы по своей природе обладают несовершенствами, иногда называемыми кристаллографическими дефектами .
Вакансии естественным образом возникают во всех кристаллических материалах. При любой заданной температуре, вплоть до точки плавления материала, существует равновесная концентрация (отношение вакантных узлов решетки к тем, которые содержат атомы). [2] При точке плавления некоторых металлов это отношение может быть приблизительно 1:1000. [3] Эту температурную зависимость можно смоделировать с помощью
где N v — концентрация вакансий, Q v — энергия, необходимая для образования вакансий, k B — постоянная Больцмана , T — абсолютная температура , а N — концентрация атомных узлов, т.е.
где ρ — плотность, N A — постоянная Авогадро , а M — молярная масса .
Это простейший точечный дефект. В этой системе атом отсутствует в своем обычном атомном месте. Вакансии образуются во время затвердевания из-за вибрации атомов, локальной перестройки атомов, пластической деформации и ионных бомбардировок.
Создание вакансии можно просто смоделировать, рассмотрев энергию, необходимую для разрыва связей между атомом внутри кристалла и его ближайшими соседними атомами. Как только этот атом удаляется из узла решетки, он возвращается на поверхность кристалла, и часть энергии извлекается, поскольку устанавливаются новые связи с другими атомами на поверхности. Однако есть чистый приток энергии, поскольку связей между поверхностными атомами меньше, чем между атомами внутри кристалла.
В большинстве приложений дефекты вакансий не имеют отношения к предполагаемому назначению материала, поскольку их либо слишком мало, либо они разнесены по многомерному пространству таким образом, что сила или заряд могут перемещаться вокруг вакансии. Однако в случае более ограниченных структур, таких как углеродные нанотрубки , вакансии и другие кристаллические дефекты могут значительно ослабить материал. [4]
