Дефект Френкеля

В кристаллографии дефект Френкеля — разновидность точечного дефекта в кристаллических твёрдых телах , названная в честь его первооткрывателя Якова Френкеля . ^[1] Дефект образуется, когда атом или ион меньшего размера (обычно катион ) покидает свое место в структуре, создавая вакансию , и становится межузельным , задерживаясь в соседнем месте. ^[2] В элементарных системах они в первую очередь генерируются при облучении частиц , поскольку энтальпия их образования обычно намного выше, чем у других точечных дефектов, таких как вакансии, и, следовательно, их равновесная концентрация согласно распределению Больцмана ниже предела обнаружения. ^{[ нужна ссылка ]} В ионных кристаллах, которые обычно обладают низким координационным числом или значительной разницей в размерах ионов, этот дефект может возникать и самопроизвольно, когда меньший ион (обычно катион ) дислоцируется. ^{[ нужна ссылка ]} Подобно дефекту Шоттки, дефект Френкеля является стехиометрическим дефектом (не меняет общую стехиометрию соединения). В ионных соединениях вакансия и межузельный 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 произойдет из-за меньшей энтропии такого связанного дефекта или из-за того, что два дефекта могут схлопнуться друг в друга. ^[3] Кроме того, поскольку такие связанные сложные дефекты являются стехиометрическими, их концентрация не будет зависеть от химических условий. ^[4]

Влияние на плотность [ править ]

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 доминирует над структурное сжатие из-за вакансии, приводящее к уменьшению плотности. ^{[ нужна ссылка ]}

Примеры [ править ]

Дефекты Френкеля проявляются в ионных твердых телах с большой разницей в размерах аниона и катиона (при этом катион обычно меньше из-за увеличенного эффективного заряда ядра ).

Некоторые примеры твердых тел с дефектами Френкеля:

сульфид цинка ,
хлорид серебра(I) ,
бромид серебра (I) (также имеет дефекты Шоттки ),
йодид серебра(I) .

Это связано со сравнительно меньшими размерами ${\ce {Zn^2+}}$ и ${\ce {Ag+}}$ ионы.

Например, рассмотрим структуру, образованную X ^{п -} и М ^{п +} ионы. Предположим, что ион M покидает подрешетку M, оставляя подрешетку X неизменной. Количество образовавшихся междоузлий будет равно количеству образовавшихся вакансий.

Одна из форм реакции дефекта Френкеля в MgO, когда оксидный анион покидает структуру и переходит в межузель, записанная в обозначениях Крегера – Винка :

мг ^×
_Мг + О ^×
_О → О ^{‍ $\prime \prime$ ‍}
_i + v ^••
_О + Мг ^×
_мг

Это можно проиллюстрировать на примере кристаллической структуры хлорида натрия. Диаграммы ниже представляют собой схематические двумерные изображения.

См. также [ править ]

Ссылки [ править ]

^ Френкель, Яков (1926). «О тепловом движении в твердых телах и жидкостях». Журнал физики . 35 (8). Спрингер: 652-669. Бибкод : 1926ZPhy...35..652F . дои : 10.1007/BF01379812 . S2CID 121391169 .
^ Эшкрофт и Мермин (1976). Химия твердого тела . Cengage Обучение. стр. 620 . ISBN 0030839939 .
^ Горай, Прашун; Стеванович, Владан (2020). «Комментарий к статье «Понимание внутреннего поведения P-типа и фазовой стабильности термоэлектрического α-Mg3Sb2» » . ACS Прикладные энергетические материалы . 3 : 106–108. дои : 10.1021/acsaem.9b01918 . S2CID 211212284 .
^ Ананд, Шашват; Торияма, Майкл; Вулвертон, Крис; Снайдер, Джефф (2022). «Конвергентное понимание заряженных дефектов». Отчеты по исследованию материалов . 3 (7): 685–696. дои : 10.1021/accountsmr.2c00044 . S2CID 249932959 .

Дальнейшее чтение [ править ]

Киттель, Чарльз (2005). Введение в физику твердого тела (8-е изд.). Уайли. стр. 585–588 . ISBN 0-471-41526-Х .

[1] Френкель, Яков (1926). «О тепловом движении в твердых телах и жидкостях». Журнал физики . 35 (8). Спрингер: 652-669. Бибкод : 1926ZPhy...35..652F . дои : 10.1007/BF01379812 . S2CID 121391169 .

[2] Эшкрофт и Мермин (1976). Химия твердого тела . Cengage Обучение. стр. 620 . ISBN 0030839939 .

[3] Горай, Прашун; Стеванович, Владан (2020). «Комментарий к статье «Понимание внутреннего поведения P-типа и фазовой стабильности термоэлектрического α-Mg3Sb2» » . ACS Прикладные энергетические материалы . 3 : 106–108. дои : 10.1021/acsaem.9b01918 . S2CID 211212284 .

[4] Ананд, Шашват; Торияма, Майкл; Вулвертон, Крис; Снайдер, Джефф (2022). «Конвергентное понимание заряженных дефектов». Отчеты по исследованию материалов . 3 (7): 685–696. дои : 10.1021/accountsmr.2c00044 . S2CID 249932959 .

[1]

[2]

[3]

[4]